Komputer kwantowy Google i anatomia supremacji, czyli mass media kontra fakty

Google dowiodło kwantowej supremacji – napisał Financial Times, a zaraz potem ukazała się masa przedruków o totalnym przełomie i możliwościach spoza skali osiąganej przez najwydajniejsze superkomputery świata. Zapytam przewrotnie: Prawda czy fake news? Cóż, tradycyjnie mediom głównego strumienia trochę się... pomieszało.

Sprawa jest dość ciekawa, gdyż opracowanie Google'a pojawiło się pierwotnie na serwerach NASA, skąd jednak po chwili zniknęło. Dziennikarze FT zdołali zapoznać się z materiałem i zasadniczo zrobili to w porządku. Z jakiegoś powodu w przedrukach ich artykułu zaczęły pojawiać się błędy, ot, chociażby stwierdzenie o obecności 72 kubitów, jak relacjonuje INNPoland.pl.

Na szczęście do rzeczonego materiału dotarły m.in. również Ars Technica i New Scientist. Dlatego ze spokojem możemy skończyć pastwienie się nad krajowymi dziennikarzami i powiedzieć, jak było naprawdę – a to, daję słowo, bardzo ciekawa historia.

Komputer kwantowy Sycamore, bo o nim tu mowa, powstaje wspólnymi siłami Google'a i NASA. Z założenia miał mieć 54 splątane kubity, ale jeden z nich nie działa.

Problem rozwiązany w eksperymencie polegał na wysłaniu losowych wzorów do kubitów i mierzeniu związanych z tym zjawisk. Jeśli zrobi się tak z jednym kubitem, wynikiem będzie ciąg przypadkowych cyfr. Natomiast w przypadku dwóch lub więcej splątanych kubitów występuje zjawisko zwane interferencją kwantową, przez co określone ciągi zaczynają się powtarzać.

Wzorzec interferencji można policzyć na klasycznym komputerze, ale tylko w momencie, gdy liczba bitów jest mocno ograniczona. Ustalono, że w superkomputerze Summit, który znajduje się obecnie na szczycie TOP500, pamięć skończy się przy 14 kubitach. Chmura Google'a sprostałaby 20 kubitom, potrzebując jednak 50 bln godzin pracy i petawata energii elektrycznej. Na tej podstawie można wnioskować, że już około 30 kubitów wystarczyłoby do wykazania supremacji kwantowej. Google poszło na całość i spróbowało z 54, a właściwie 53 licząc tylko te sprawne.

Z ciekawostek: Sam projekt komputera kwantowego Google'a nie odbiega od większości innych, współczesnych koncepcji. Kubity są pętlami, wykonanymi z nadprzewodzącego drutu, po których prąd może płynąć w obydwu kierunkach. Zostały połączone z rezonatorami mikrofalowymi. Tak, aby sterować nimi za pomocą wiązek światła o odpowiedniej częstotliwości. Wszystkie kubity razem tworzą siatkę, przypominającą trochę siatkę ogrodzeniową. Pomijając egzemplarze skrajne, każdy kubit ma połączenie z czterema sąsiednimi, co można wykorzystać do ich wzajemnego splątania.

Komputer wygenerował przypadkowy zestaw cyfr, a następnie sprawdził, czy są rzeczywiście przypadkowe. Potrzebował na to mniej niż 10 minut, choć faktyczne obliczenia na kubitach zajęły 200 sekund, patrząc na czas procesora, a reszta to sterowanie. Dla odniesienia badacze oszacowali, że Summit w tym przypadku potrzebowałby 10 tys. lat. Oczywiście gdyby w ogóle był w stanie tego rodzaju operację wykonać, a nie jest z uwagi na niedobór pamięci operacyjnej.

Tak, jest to przykład wyższości obliczeń kwantowych nad konwencjonalnymi, ale technicznie rzecz biorąc, jest to także bardziej mierzenie układu kwantowego w celu uzyskania rozkładu prawdopodobieństwa, a nie wykonywanie obliczeń sensu stricto. Zaprezentowany system jest generatorem liczb losowych. Szalenie efektywnym, ale nienadającym się do niczego innego. Nie zrealizuje żadnego innego algorytmu. Elastyczność, czyli główny atut komputera, pozostaje więc po stronie rozwiązań konwencjonalnych. Choć oczywiście inżynierom Google i NASA nie można odmówić sukcesu, to jednak na tym etapie ciężko głosić rewolucję.

Ciężko zarazem rzeczowo skomentować opinie osób, które wysnuły teorię, że lada dzień szyfrowanie czegokolwiek straci rację bytu. Algorytm faktoryzacji Shora rozkładający liczby na czynniki pierwsze, który godzi w ideę RSA, znajduje się w powijakach. Komputery kwantowe faktoryzują w najlepszym wypadku liczby o kilka rzędów mniejsze niż stosowane w szyfrowaniu. Tymczasem Sycamore Google'a nie ma nawet pełnowartościowej korekcji błędów, ale to już temat na inny artykuł.

TL;DR Nie, IBM Summit niniejszym nie stał się przestarzałym szrotem. Elon Musk nie poleci na Marsa, przynajmniej nie dzięki komputerowi kwantowemu Google'a. A twoje pieniądze są bezpieczne – tak optymistycznie zakładam, mając nadzieję, że nie klikasz w byle co ;)