Paljonko on kvanttilaskennan ylivoima?

Google on nyt julkaissut tutkimuspaperin Sycamorensa kyvyistä tehdä laskelmia kvanttiherruudella. Tutkimus toteutettiin yhteistyössä NASA:n ja Oak Ridge National Laboratoryn kanssa.

"Kvanttiylivallan saavuttaminen tarkoittaa, että olemme kyenneet tekemään yhden asian nopeammin, mutta emme kaikkea mahdollista nopeammin", kommentoi Eleanor Rieffel, yksi tutkimusraportin kirjoittajista.

Tutkimusartikkelissa ja Naturen yleisartikkelissa aiheesta kuvataan Sycamore-kvanttiprosessorin kokeet kvanttiherruuden osoittamiseksi.

Sekä kvanttiprosessorille että supertietokoneelle annettiin yhä monimutkaisempia ja satunnaisempia kvanttitoimintoja laskettavaksi kunnes NASA:n supertietokone ei pystynyt enää niitä käsittelemään.

Varmistaakseen, että tämä virstanpylväs todellakin saavutettiin, NASA ja Google kääntyivät Oak Ridge National Laboratoryn puoleen jolla on käytössä Summit - maailman tehokkain supertietokone. Sen avulla he testasivat, sopivatko kvanttitietokoneen tulokset Summitin laskelmiin aina kvanttiylivoimarajaan asti - ja huomasivat, että näin oli.

Googlen Sycamore-prosessorin parissa työskentelevä asiantuntijaryhmä totesi, että heidän kvanttijärjestelmänsä oli näin ollen ajanut 200 sekunnissa laskelman, jonka tekemiseen klassiselta tietokoneelta voisi mennä 10 000 vuotta.

IBM kommentoi Googlen 10 000 vuotta, väittäen että kyllä perinteinen huipputason tietotekniikka voisi ajaa saman tehtävän kahdessa ja puolessa päivässä.

IBM:n mukaan simulointiarvio 10 000 vuotta perustuu havaintoon, että RAM-muistin tarve tallentaa koko tilavektori Schrödinger-tyyppiseen simulaatioon ei toimisi ja siksi on turvauduttava Schrödinger-Feynman-simulaatioon, joka vaihtaa laskentatilaa laskenta-aikaan.

Käsite "kvanttiylivalta" esittelee kvanttitietokoneille ainutlaatuisia resursseja, kuten suora pääsy lomittumiseen ja superpositiointiin. Klassisilla tietokoneilla on kuitenkin omat resurssit, kuten muistien hierarkia ja laitetekninen tarkka laskenta, erilaiset ohjelmistovarat ja laaja algoritmien tietokanta ja IBM:n mukaan on tärkeää hyödyntää kaikkia näitä ominaisuuksia verrattaessa kvanttisia klassisiin.

Googlen mukaan Sycamoren suorittama laskenta on tapa osoittaa, että monimutkainen kvanttijärjestelmä voi olla luotettava. Yhtiö uskoo myös, että sen tuottamilla satunnaisluvuilla voi olla käytännöllistä käyttöä.

Kokeilussaan ryhmä käytti Sycamoren 53 yksilöllisesti hallittavissa olevaa kubittia. Kun niitä kaikkia operoitiin samanaikaisesti, jokaisella yhden ja kahden kubitin portilla oli noin 99–99,9 % toistotarkkuus (fidelity) - mitta sille, kuinka todellinen operaation lopputulos on ihanteellisesta. Tällaisten toistotarkkuuksien saavuttaminen on yksi merkittävistä teknisistä saavutuksista, jotka mahdollistivat tämän työn.

Googlen tutkijoiden suoraan todennettavissa oleva mittaus suoritettiin koko piirillä 14 syklin ajan. Kvanttiprosessori ajoi miljoona näytettä 200 sekunnissa saavuttaen 0,8 %:n XEB-toistotarkkuuden (cross-entropy benchmarking).

Vertailun vuoksi näytteenottotehtävän suorittaminen 0,8 %:n tarkkuudella klassisella tietokoneella kesti 130 sekuntia ja tarkka klassinen todentaminen (100% toistouskollisuus) kesti 5 tuntia. Kun otetaan huomioon fyysisten resurssien valtavat erot, nämä tulokset osoittavat kvanttilaitteiston selvän edun klassiseen vastineeseen nähden.

Summit pystyy suorittamaan noin 200 miljoonaa miljardia operaatiota sekunnissa. Se käsittää noin 40 000 prosessoriyksikköä, joista kukin sisältää miljardeja transistoreita ja siinä on 250 miljoonaa gigatavua tallennustilaa. Noin 99 % Summitin resursseista käytettiin klassiseen vertailuajoon.

Edelleen Googlen tutkijat laajensivat piirejä ei-suoraan todennettavissa olevaan ylivaltajärjestelmään. He käyttivät laajempia kytkentöjä levittääkseen lomittumisen koko 53-kubittiseen prosessoriin ja kasvattivat jaksojen määrää 14:stä 20:een.

Kun 53 kubittia toimi 20 syklin ajan, laskettu XEB-tarkkuus oli 0,1 %. Sycamore laski ratkaisun 200 sekunnissa, kun taas klassinen ajo 0,1 %:n tarkkuudella kestäisi arvioiden noin 10 000 vuotta ja täydellinen todentaminen useita miljoonia vuosia.

Aiheesta aiemmin:

Valolla kohti huonelämpöistä kvanttitietokonetta

Kaksi vapausastetta

Katsaus kvanttilaskennan tekniikoihin