IBM-ov kvantni računar za 19 sekundi uradio ono za šta bi superračunaru trebalo više od jednog veka – Život

Rezultat IBM računara je predstavljen kao nova demonstracija takozvane kvantne prednosti, ali uz važnu napomenu: istraživanje još nije prošlo naučnu recenziju.

Eksperiment je opisan u radu koji je 23. septembra objavljen na serveru arXiv. Tim predvođen Tigranom Sedrakjanom, teorijskim fizičarem koji se bavi fizikom kondenzovane materije, koristio je IBM-ov procesor Nighthawk r2, koji ima 120 kubita. Za eksperiment je upotrebljen 61 kubit, piše Science alert.

Istraživači su uspeli da za 19 sekundi generišu milion uzoraka iz veoma složenog kvantnog kola. Za poređenje, procenili su da bi reprodukovanje istog rezultata klasičnim računarskim metodama zahtevalo oko 1,2 × 10²⁷ računarskih operacija. Na osnovu procenjenih performansi superračunara Frontier, to bi odgovaralo vremenu od oko 110 godina.

Šta je zapravo računao IBM-ov procesor?

Da bi se razumelo zašto je ovaj rezultat važan, potrebno je objasniti šta se podrazumeva pod kvantnim računarom.

Klasični računari koriste bitove, koji mogu imati vrednost nula ili jedan. Kvantni računari koriste kubite. Oni mogu da se nalaze u kvantnoj superpoziciji, odnosno da budu opisani kombinacijom mogućih stanja, što omogućava drugačiji način obrade određenih vrsta problema.

U ovom eksperimentu korišćena je metoda poznata kao nasumično uzorkovanje kvantnih kola, odnosno random circuit sampling. Kvantni procesor izvršava niz operacija nad kubitima, pri čemu se stvara veoma složeno kvantno stanje. Nakon toga sistem se meri veliki broj puta i dobijaju se nizovi nula i jedinica.

Kako broj kubita i operacija raste, klasičnom računaru postaje izuzetno teško da izračuna verovatnoće potrebne za reprodukovanje takvog rezultata. Upravo zbog toga random circuit sampling već godinama predstavlja jedan od testova koji se koriste u istraživanju kvantne prednosti.

Zašto je brojka od 19 sekundi toliko zanimljiva?

Istraživači nisu koristili neki eksperimentalni uređaj napravljen isključivo za ovaj test. Nighthawk r2 je komercijalno dostupan kvantni procesor kojem korisnici mogu da pristupe preko IBM-ove platforme u oblaku.

Tim je koristio standardni način rada te platforme, bez posebne kalibracije prilagođene upravo ovom eksperimentu. Odabrano je 61 od ukupno 120 kubita, a istraživači su povećavali složenost kvantnih kola do 40 ciklusa.

Najzanimljiviji rezultat dobili su na 36 ciklusa, kada je kvantno kolo sadržalo 918 dvo kubitnih operacija. Tada je procesor za 19 sekundi proizveo milion uzoraka.

Istraživači su zatim morali da procene koliko bi isti zadatak bio zahtevan za klasični računar. Pošto direktno izvršavanje ovakvog eksperimenta na superračunaru nije praktično, koristili su matematičku tehniku poznatu kao kontrakcija tenzorskih mreža. Ona omogućava procenu količine računanja potrebne za simulaciju kvantnog kola na klasičnom računaru.

Na osnovu te metode procenjeno je da bi za dobijanje milion uzoraka bilo potrebno oko 1,2 × 10²⁷ računarskih operacija. Kada se ta količina uporedi sa performansama superračunara Frontier, dobija se procena od oko 110 godina.

To ipak ne znači da bi svakom superračunaru trebalo 110 godina

Ovo je važna razlika.

Broj od 110 godina nije vreme koje je eksperimentalno izmereno tako što je neki superračunar 110 godina pokušavao da reši isti zadatak. Reč je o proceni zasnovanoj na konkretnoj metodi simulacije i određenim pretpostavkama o performansama klasičnog računara.

Autori rada i sami navode da to nije dokaz da nijedan klasični računar nikada ne bi mogao da reprodukuje rezultat za kraće vreme. Efikasniji algoritmi ili drugačije metode simulacije mogle bi da smanje količinu potrebnog računanja.

Upravo to se već dešavalo u istoriji kvantnog računarstva. Kada bi kvantni računari pokazali da određeni zadatak izgleda nedostižno za klasične mašine, istraživači koji rade sa klasičnim računarima pronalazili su nove načine da takve eksperimente simuliraju efikasnije.

Sličan eksperiment već je privukao pažnju 2019. godine

Jedan od najpoznatijih trenutaka u razvoju kvantnog računarstva dogodio se 2019. godine, kada je Google objavio da je njegov procesor Sycamore, sa 53 kubita, izvršio random circuit sampling zadatak koji je tada procenjen kao praktično nedostižan za klasični superračunar.

Kasnije su istraživači razvijali efikasnije klasične metode kojima su mogli da reprodukuju delove tih rezultata. Zbog toga se u kvantnom računarstvu pitanje „kvantne prednosti“ ne svodi samo na to koliko brzo neki uređaj izvršava određeni zadatak, već i na to koliko dobro mogu da mu pariraju najefikasnije poznate klasične metode.

Šta ovaj rezultat zapravo dokazuje?

Prema autorima novog rada, njihov eksperiment predstavlja prvu demonstraciju kvantne prednosti za standardni random circuit sampling na komercijalno dostupnom kvantnom procesoru koji je široko dostupan korisnicima.

Posebno naglašavaju da je eksperiment moguće ponoviti preko IBM-ove platforme u oblaku. Objavili su korišćena kvantna kola, uzorke i kod za analizu, kako bi drugi istraživači mogli da provere rezultate.

To je važan deo priče jer se raniji eksperimenti često oslanjali na specijalizovane laboratorijske uređaje. Ovde je, prema autorima, isti princip demonstriran na komercijalno dostupnom hardveru.

Ipak, rezultat još treba posmatrati u kontekstu razvoja čitavog polja. Rad je trenutno dostupan kao preprint i nije prošao nezavisnu naučnu recenziju. Zbog toga njegove zaključke treba posmatrati kao rezultate istraživanja koji tek treba da budu dodatno provereni.

Kvantno računarstvo zbog ovoga nije postalo zamena za klasične računare. Za ogromnu većinu svakodnevnih zadataka klasični računari i dalje su praktičniji. Poenta ovakvih eksperimenata jeste da pokažu da za određene veoma specifične probleme kvantni procesori mogu da dostignu računarske mogućnosti koje je klasičnim metodama izuzetno teško ostvariti.

U ovom slučaju razlika izgleda ogromno: 19 sekundi na kvantnom procesoru naspram procenjenih više od jednog veka klasičnog računanja. Ali prava vrednost rezultata biće jasnija tek kada ga nezavisni istraživači provere i kada se vidi kako će na njega odgovoriti nove klasične metode simulacije.