W 2019 roku Google zrobi? fale, twierdz?c, ?e osi?gn?? co?, co zosta?o nazwane “kwantow? supremacj?” – zdolno?? komputera kwantowego do wykonywania operacji, których symulacja na standardowym sprz?cie obliczeniowym wymaga?aby szalenie niepraktycznej ilo?ci czasu. To twierdzenie okaza?o si? kontrowersyjne, poniewa? operacje by?y niewiele wi?cej ni? punktem odniesienia, który polega? na tym, aby komputer kwantowy zachowywa? si? jak komputer kwantowy; oddzielnie ulepszone pomys?y na to, jak wykona? symulacj? na superkomputerze znacznie skraci?y wymagany czas.
Ale Google powraca z now? eksploracj? benchmarku, opisan? w artykule opublikowanym w Nature w ?rod?. Wykorzystuje punkt odniesienia do zidentyfikowania tego, co nazywa przej?ciem fazowym w wydajno?ci swojego procesora kwantowego i wykorzystuje go do identyfikacji warunków, w których procesor mo?e dzia?a? z niskim poziomem szumów. Korzystaj?c z tego, ponownie pokazuj?, ?e nawet daj?c klasycznemu sprz?towi ka?d? potencjaln? przewag?, symulacja rzeczy wymaga?aby superkomputerowi kilkunastu lat.
Benchmarking krzy?owy
Test porównawczy dotyczy wydajno?ci tak zwanych kwantowych obwodów losowych, które polegaj? na wykonywaniu zestawu operacji na kubitach i umo?liwieniu ewolucji stanu systemu w czasie, tak ?e wynik zale?y w du?ej mierze od stochastycznego charakteru wyników pomiarów w mechanice kwantowej. Ka?dy qubit b?dzie mia? prawdopodobie?stwo wytworzenia jednego z dwóch wyników, ale je?li to prawdopodobie?stwo nie jest jedno, nie ma sposobu, aby wiedzie?, który z wyników faktycznie uzyskasz. W rezultacie wynikiem operacji b?dzie ci?g prawdziwie losowych bitów.
Je?li w operacje jest zaanga?owana wystarczaj?ca ilo?? kubitów, to coraz trudniej jest symulowa? wydajno?? kwantowego obwodu losowego na klasycznym sprz?cie. Ta trudno?? jest tym, czego Google pierwotnie u?y?o, aby ubiega? si? o supremacj? kwantow?.
Du?ym wyzwaniem zwi?zanym z uruchamianiem kwantowych obwodów losowych na dzisiejszym sprz?cie jest nieuchronno?? b??dów. I istnieje specyficzne podej?cie, zwane benchmarkingiem cross-entropii, które ??czy wydajno?? kwantowych obwodów losowych z ogóln? wierno?ci? sprz?tu (co oznacza jego zdolno?? do wykonywania operacji bezb??dnych).
G?ówny naukowiec Google Sergio Boixo porówna? wykonywanie kwantowych obwodów losowych do wy?cigu mi?dzy prób? zbudowania obwodu a b??dami, które go zniszczy?yby. “W istocie jest to rywalizacja mi?dzy korelacjami kwantowymi rozprzestrzeniaj?cymi si?, poniewa? si? pl?czesz, a losowe obwody spl?tuj? si? tak szybko, jak to mo?liwe” – powiedzia? Ars. “U?ywamy dwóch bramek qubitowych, które spl?taj? si? tak szybko, jak to mo?liwe. Wi?c jest to rywalizacja mi?dzy korelacjami lub spl?taniem, które ro?nie tak szybko, jak chcesz. Z drugiej strony, ha?as robi co? przeciwnego. Ha?as zabija korelacje, zabija wzrost korelacji. Wi?c to s? dwie tendencje.”
W artykule skupiono si? na wykorzystaniu benchmarku entropii krzy?owej do zbadania b??dów wyst?puj?cych w najnowszej generacji uk?adu Sycamore firmy i wykorzystania tego do zidentyfikowania punktu przej?ciowego mi?dzy sytuacjami, w których dominuj? b??dy, a tym, co artyku? okre?la jako “re?im niskiego poziomu szumów”, w którym prawdopodobie?stwo b??dów jest zminimalizowane – gdzie uwik?anie wygrywa wy?cig. Naukowcy porównali to do przej?cia fazowego mi?dzy dwoma pa?stwami.
Niski poziom ha?asu
Naukowcy wykorzystali szereg metod do zidentyfikowania lokalizacji tego przej?cia fazowego, w tym szacunki liczbowe zachowania systemu i eksperymenty z wykorzystaniem procesora Sycamore. Boixo wyja?ni?, ?e punkt przej?cia jest zwi?zany z b??dami na cykl, przy czym ka?dy cykl obejmuje wykonanie operacji na wszystkich zaanga?owanych kubitach. Tak wi?c ca?kowita liczba u?ywanych kubitów wp?ywa na lokalizacj? przej?cia, poniewa? wi?cej kubitów oznacza wi?cej operacji do wykonania. Ale tak samo jak ogólny wska?nik b??dów w procesorze.
Je?li chcesz dzia?a? w trybie niskiego poziomu szumów, musisz ograniczy? liczb? zaanga?owanych kubitów (co ma efekt uboczny u?atwiaj?cy symulacj? na klasycznym sprz?cie). Jedynym sposobem na dodanie wi?kszej liczby kubitów jest obni?enie wska?nika b??dów. Podczas gdy sam procesor Sycamore mia? dobrze zrozumia?y minimalny wska?nik b??dów, Google móg? sztucznie zwi?kszy? ten wska?nik b??dów, a nast?pnie stopniowo go obni?a?, aby zbada? zachowanie Sycamore w punkcie przej?ciowym.
Re?im niskiego poziomu szumów nie by? wolny od b??dów; ka?da operacja nadal ma mo?liwo?? b??du, a kubity czasami trac? swój stan, nawet gdy siedz? i nic nie robi?. Ale ten wska?nik b??du mo?na oszacowa? za pomoc? benchmarku cross-entropy, aby zbada? ogóln? wierno?? systemu. Nie by?o tak poza punktem przej?ciowym, gdzie b??dy wyst?powa?y na tyle szybko, ?e przerwa?y proces uwik?ania.
Gdy tak si? dzieje, rezultatem s? cz?sto dwa oddzielne, mniejsze spl?tane systemy, z których ka?dy podlega? podstawowym wska?nikom b??dów uk?adu Sycamore. Naukowcy zasymulowali to, tworz?c dwa odr?bne skupiska spl?tanych kubitów, które mog? by? spl?tane ze sob? za pomoc? jednej operacji, umo?liwiaj?c im w??czanie i wy??czanie spl?tania do woli. Pokazali, ?e to zachowanie pozwoli?o klasycznemu komputerowi na sfa?szowanie ogólnego zachowania poprzez rozbicie oblicze? na dwa mo?liwe do opanowania kawa?ki.
Ostatecznie wykorzystali swoj? charakterystyk? przej?cia fazowego, aby zidentyfikowa? maksymaln? liczb? kubitów, które mogliby utrzyma? w re?imie niskiego poziomu szumów, bior?c pod uwag? podstawow? szybko?? b??du procesora Sycamore, a nast?pnie wykonali na nich milion losowych obwodów. Chocia? jest to stosunkowo ?atwe do zrobienia na sprz?cie kwantowym, nawet zak?adaj?c, ?e mogliby?my zbudowa? superkomputer bez ogranicze? przepustowo?ci, symulacja zaj??oby oko?o 10 000 lat na istniej?cym superkomputerze (system Frontier). Pozwalaj?c ca?ej pami?ci systemu na dzia?anie jako pami?? wtórna, skracaj?c oszacowanie do 12 lat.
Co nam to mówi?
Boixo podkre?li?, ?e warto?? pracy nie jest tak naprawd? oparta na warto?ci wykonywania losowych obwodów kwantowych. Prawdziwie losowe ci?gi bitowe mog? by? przydatne w niektórych kontekstach, ale podkre?li?, ?e prawdziw? korzy?ci? jest lepsze zrozumienie poziomu szumu, który mo?e by? tolerowany w algorytmach kwantowych bardziej ogólnie. Poniewa? ten benchmark zosta? zaprojektowany tak, aby jak naj?atwiej by?o prze?cign?? klasyczne obliczenia, potrzebujesz najlepszych standardowych komputerów, aby mie? jak?kolwiek nadziej? na pokonanie ich w odpowiedzi na bardziej skomplikowane problemy.
“Zanim b?dziesz móg? wykona? jak?kolwiek inn? aplikacj?, musisz wygra? na tym benchmarku” – powiedzia? Boixo. “Je?li nie wygrywasz na tym benchmarku, to nie wygrywasz na ?adnym innym benchmarku. To naj?atwiejsza rzecz dla ha?a?liwego komputera kwantowego w porównaniu do superkomputera.”
Wiedza o tym, jak zidentyfikowa? to przej?cie fazowe, zasugerowa?, b?dzie równie? pomocna dla ka?dego, kto próbuje uruchomi? przydatne obliczenia na dzisiejszych procesorach. “Gdy definiujemy faz?, otwiera to mo?liwo?? znalezienia aplikacji w tej fazie na ha?a?liwych komputerach kwantowych, gdzie b?d? one lepsze od klasycznych komputerów” – powiedzia? Boixo.
W tym argumencie jest ukryta wskazówka, dlaczego Google skupi? si? na iteracji na konstrukcji pojedynczego procesora, mimo ?e wielu jego konkurentów naciska?o na szybkie zwi?kszenie liczby kubitów. Je?li ten benchmark wskazuje, ?e nie mo?esz uzyska? wszystkich kubitów Sycamore’a w najprostsze obliczenia re?imu o niskim poziomie szumów, to nie jest jasne, czy zwi?kszenie liczby qubitów ma du?? warto??. A jedynym sposobem na zmian? tego jest obni?enie podstawowego wska?nika b??dów procesora, wi?c na tym w?a?nie skupia si? firma.
Wszystko to jednak zak?ada, ?e masz nadziej? uruchomi? przydatne obliczenia na dzisiejszych ha?a?liwych kubitach sprz?towych. Alternatyw? jest u?ycie kubitów logicznych skorygowanych o b??dy, które b?d? wymaga?y znacznego wzrostu liczby kubitów. Ale Google widzi podobne ograniczenia ze wzgl?du na podstawowy wska?nik b??dów Sycamore w testach, które wykorzystywa?y go do hostowania korygowanego b??dów logicznego qubit, do czego mamy nadziej? wróci? w przysz?ym zasi?gu.
