Ένα εντυπωσιακό βήμα στη μάχη ανάμεσα στους κβαντικούς και τους κλασικούς υπολογιστές πραγματοποίησαν ερευνητές, χρησιμοποιώντας τον Nighthawk r2 της IBM. Ο κβαντικός επεξεργαστής κατάφερε μέσα σε μόλις 19 δευτερόλεπτα να παράγει ένα εκατομμύριο δείγματα από μια διαδικασία που, σύμφωνα με την εκτίμηση των ερευνητών, θα απαιτούσε περίπου 110 χρόνια υπολογιστικού χρόνου σε έναν κορυφαίο κλασικό υπερυπολογιστή.
Το αποτέλεσμα προέκυψε από πείραμα random-circuit sampling (RCS), μια διαδικασία που χρησιμοποιείται εδώ και χρόνια ως βασικό benchmark για την αξιολόγηση του λεγόμενου «κβαντικού πλεονεκτήματος», δηλαδή της δυνατότητας ενός κβαντικού υπολογιστή να εκτελεί συγκεκριμένους υπολογισμούς που είναι εξαιρετικά δύσκολοι για τους κλασικούς υπολογιστές.
Η μελέτη, με επικεφαλής τον θεωρητικό φυσικό συμπυκνωμένης ύλης Τιγκράν Σεντρακιάν της BlueQubit στις ΗΠΑ, έχει δημοσιευθεί ως προδημοσίευση στο arXiv και δεν έχει ακόμη περάσει από διαδικασία αξιολόγησης από ανεξάρτητους επιστήμονες (peer review). Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι πρόκειται, σύμφωνα με τη γνώση τους, για την πρώτη επίδειξη κβαντικού πλεονεκτήματος μέσω «vanilla» random-circuit sampling σε έναν εμπορικά και ευρέως προσβάσιμο κβαντικό επεξεργαστή.
Ο Nighthawk r2 είναι ένας υπεραγώγιμος κβαντικός επεξεργαστής 120 qubits, προσβάσιμος στους χρήστες μέσω της cloud πλατφόρμας της IBM. Για το συγκεκριμένο πείραμα οι ερευνητές χρησιμοποίησαν 61 qubits και τα υπέβαλαν σε τυχαία κυκλώματα αυξανόμενης πολυπλοκότητας, φτάνοντας έως και τους 40 κύκλους.
Κάθε κύκλος αποτελείται από επαναλαμβανόμενες πράξεις στις οποίες τα qubits χειρίζονται και αλληλοδιαπλέκονται κβαντικά. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν 918 πύλες δύο qubits στο σημείο των 36 κύκλων, το οποίο αποδείχθηκε ότι ήταν το κατάλληλο σημείο για το συγκεκριμένο benchmark.
Εκεί ο Nighthawk r2 κατάφερε να δημιουργήσει ένα εκατομμύριο δείγματα σε μόλις 19 δευτερόλεπτα. Το σημαντικό είναι ότι το πείραμα δεν πραγματοποιήθηκε σε ειδικά διαμορφωμένο εργαστηριακό σύστημα. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την τυπική cloud υποδομή της IBM, χωρίς ειδική βαθμονόμηση προσαρμοσμένη στο συγκεκριμένο benchmark.
Η πραγματική πρόκληση, ωστόσο, ήταν να υπολογιστεί πόσο χρόνο θα χρειαζόταν ένας κλασικός υπολογιστής για να αναπαράγει το ίδιο αποτέλεσμα.
Για τον σκοπό αυτό οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται tensor-network contraction. Η μέθοδος αυτή επιτρέπει την εκτίμηση του υπολογιστικού κόστους που απαιτείται για την προσομοίωση ενός κβαντικού κυκλώματος σε έναν κλασικό υπολογιστή.
Οι υπολογισμοί έδειξαν ότι, για την αναπαραγωγή του ενός εκατομμυρίου δειγμάτων, θα απαιτούνταν περίπου 1,2 × 10²⁷ υπολογιστικές πράξεις, υπό τις συγκεκριμένες παραδοχές της μεθόδου προσομοίωσης.
Για να γίνει αντιληπτό το μέγεθος της απαίτησης, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ως σημείο αναφοράς τον Frontier, τον υπερυπολογιστή που ήταν ο πρώτος στον κόσμο στην κατηγορία exascale και παρέμεινε στην κορυφή μέχρι το 2024.
Με βάση μια πιο συντηρητική εκτίμηση της πραγματικής διατηρούμενης απόδοσης του Frontier, η ομάδα υπολόγισε ότι η συγκεκριμένη εργασία θα απαιτούσε περισσότερο από έναν αιώνα υπολογιστικού χρόνου. Την ίδια στιγμή, ο Nighthawk r2 ολοκλήρωσε το ίδιο benchmark σε 19 δευτερόλεπτα.
Το αποτέλεσμα, ωστόσο, χρειάζεται προσεκτική ερμηνεία. Τα 110 χρόνια δεν αποτελούν κάποιο θεμελιώδες όριο για τους κλασικούς υπολογιστές. Πρόκειται για εκτίμηση που βασίζεται στη συγκεκριμένη μέθοδο προσομοίωσης και στις παραδοχές που χρησιμοποιήθηκαν.
Η ιστορία της κβαντικής υπολογιστικής έχει ήδη δείξει ότι οι κλασικοί υπολογιστές και οι αλγόριθμοι μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά. Νέες, αποδοτικότερες μέθοδοι θα μπορούσαν να μειώσουν δραματικά τον χρόνο που απαιτείται για την προσομοίωση τέτοιων κυκλωμάτων.
Άλλωστε, η random-circuit sampling βρίσκεται στο επίκεντρο της συγκεκριμένης επιστημονικής αντιπαράθεσης εδώ και χρόνια. Το 2018, ερευνητές του UC Berkeley παρουσίασαν θεωρητικά στοιχεία ότι η συγκεκριμένη κατηγορία υπολογισμών αποτελεί ιδιαίτερα δύσκολο πρόβλημα για τους κλασικούς υπολογιστές.
Έναν χρόνο αργότερα, η Google ανακοίνωσε ότι ο 53-qubit επεξεργαστής Sycamore είχε πραγματοποιήσει ένα πείραμα RCS που, σύμφωνα με την εταιρεία, βρισκόταν πέρα από τις πρακτικές δυνατότητες των κλασικών υπερυπολογιστών. Στη συνέχεια, όμως, ερευνητές της κλασικής υπολογιστικής ανέπτυξαν νέες τεχνικές που επέτρεψαν την αποτελεσματικότερη προσομοίωση τέτοιων πειραμάτων, ενώ οι κβαντικοί ερευνητές συνέχισαν να αυξάνουν την κλίμακα και την πολυπλοκότητα των συστημάτων τους.
Η νέα μελέτη της ομάδας του Σεντρακιάν επιχειρεί να μεταφέρει αυτή τη μάχη σε ένα διαφορετικό επίπεδο, καθώς το πείραμα πραγματοποιήθηκε σε έναν εμπορικά προσβάσιμο κβαντικό επεξεργαστή και όχι σε ένα ειδικά κατασκευασμένο πειραματικό σύστημα.
Οι ερευνητές αναφέρουν επίσης ότι έχουν διαθέσει τα κυκλώματα, τα δείγματα και τον κώδικα που χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση, ώστε άλλοι επιστήμονες να μπορούν να ελέγξουν ανεξάρτητα το αποτέλεσμα και να επιχειρήσουν να το αναπαράγουν.
Έτσι, το συγκεκριμένο αποτέλεσμα δεν σημαίνει ότι οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν πλέον καταστήσει άχρηστους τους υπερυπολογιστές. Δείχνει, όμως, ότι σε ένα συγκεκριμένο και ιδιαίτερα απαιτητικό benchmark, ένας εμπορικά προσβάσιμος κβαντικός επεξεργαστής μπορεί να εκτελέσει σε δευτερόλεπτα έναν υπολογισμό που, με τη συγκεκριμένη μέθοδο προσομοίωσης, θα απαιτούσε από έναν κορυφαίο κλασικό υπερυπολογιστή περισσότερο από έναν αιώνα.
Το επόμενο στάδιο είναι πλέον να διαπιστωθεί κατά πόσο το αποτέλεσμα θα επιβεβαιωθεί από ανεξάρτητες ομάδες και αν οι κλασικοί αλγόριθμοι μπορούν να περιορίσουν σημαντικά το υπολογιστικό χάσμα που καταγράφεται στο συγκεκριμένο benchmark.
Πηγή επιστημονικής μελέτης Arxiv.org
Με πληροφορίες από το Sciencealert
