Minulý měsíc unikla zmínka o tom, že se Googlu podařilo dosáhnout kvantové nadvlády, což je milník, kdy je možné pomocí kvantového počítače spočítat úlohy v takovém rozsahu, v jakém to už není možné provést na klasickém počítači nebo by to pomocí něj trvalo neúměrně dlouho. Nyní už Google zveřejnil i podrobnější informace a IBM vydalo rovněž zprávu, ve které tento milník zlehčuje a tvrdí, že tohoto stavu ještě nebylo dosaženo.
Velké technologické společnosti už několik let vyvíjí vlastní kvantové počítače, respektive čipy, které pracují na kvantovém principu. Zatímco klasické počítače přinesly možnost rychlých výpočtů spadající v rámci časové složitosti do třídy P, v případě složitějších algoritmů a výpočtů, které patří do skupiny NP, jsou však klasické počítače neefektivní. Jeden příklad za všechny je typicky problém obchodního cestujícího.
Pro klasické počítače je tato úloha velmi složitá, ale pro kvantový počítač naopak zcela jednoduchá, protože všechny varianty cest se vypočítávají v jeden a ten samý čas. Kolik variant je možné najednou ověřit, to je omezeno počtem qubitů (v tomto případě 2 na 53 stavů).
Co je to qubit
Qubit (čte se „kjúbit“) je abstraktní alternativou bitu pro kvantové počítače. Jedná se o informační jednotku, která na rozdíl od běžného bitu může nabývat hodnot i mezi stavy 0 a 1. Fyzikálně je pak navázán na kvantové vlastnosti části atomů, jako je například spin elektronů. Kvantový počítač vždy využívá více qubitů a kombinací jejich stavů exponenciálně roste množství informací, které je možné v rámci jednoho výpočetního cyklu zpracovat.
Je však třeba si uvědomit velmi důležitou věc, která platí dnes a bude platit i do budoucna - fyzický qubit se nerovná logickému qubitu. Při provozu totiž vzniká obrovské množství šumu, takže k jednomu logickému qubitu je například nutné mít desítky, stovky či dokonce tisíce fyzických qubitů. Jaký je výsledný poměr, to se odvíjí od pokročilosti korekčních systémů pro odstraňování chyb a dalších částí.
Procesor Sycamore s 53 qubity
Nejnovějším kvantovým procesorem Googlu je model s označením Sycamore, který má sice 54 qubitů, ale z toho pouze 53 qubitů bylo skutečně funkčních a použitých pro výpočty. Konstrukce vychází z dvourozměrného pole, kdy je každý qubit propojen se čtyřmi okolnímu qubity, přičemž spojek je celkem 86. Tento systém propojení byl Googlem optimalizován právě pro optimalizaci chyb, které vznikají z mnoha důvodů.
Celý obvod je supravodivý a potřebuje tak i speciální chlazení s teplotou pod -273,1 stupňů Celsia. Čip používá transom qubity, které jsou méně náchylné vůči šumu. Pro výrobu Josephsonůvých spojek se používá hliník a pro spojení dvou křemíkových waferů pak iridium.
Obvod je uzavřený v odstíněné komoře s extrémně nízkou teplotou a je propojen pomocí konvertorů do klasických počítačů pracujících při běžné pokojové teplotě. Pomocí těchto počítačů a zařízení probíhá jak čtení dat z kvantového čipu, tak i jeho ovládání.
Jak probíhal test
Google si pro testování výkonu připravil speciální náhodný simulovaný kvantový obvod, u kterého za pouhých 200 sekund vyzkoušel čip Sycamore milion kombinací. I ten nejlepší superpočítač na světě by stejnou úlohu počítal kolem 10 tisíc let.
Detail simulovaného kvantového obvodu
A právě kvůli tomuto velkému rozdílu Google tvrdí, že bylo poprvé dosaženo kvantové nadvlády. Jedná se o milník, kdy výsledek kvantového počítače nelze ověřit a odsimulovat v dostatečně krátké době na žádném klasickém počítači, který se nachází na naší planetě.
Porovnání výkonu kvantového a klasického počítače při simulaci stejného kvantového obvodu
Google si náročnost ověřil i pomocí částečně simulace jak na superpočítači Summit, tak i v datacentrech Googlu. Zatímco kvantový čip Sycamore potřeboval ke třem milionům variacím náhodného kvantového obvodu 600 sekund (čistého procesorového času dokonce pouze 20 sekund), u klasického počítače by bylo zapotřebí 50 bilionů hodin na jádro se spotřebou 1 PW za hodinu. Efektivita těchto náročných výpočtů je tak pomocí kvantového čipu na zcela nové úrovní, která nemá v historii obdoby a je jasné, že přichází úplně nová éra.
Kvantový Moorův zákon
Google očekává, že výkon kvantových čipů bude růst dvojitou exponenciálou a bude se tak zlepšovat poměrně předvídatelně podobně jako klasické čipy, pro které platí Moorův zákon. Pro kvantové čipy se tak nejspíše začne používat kvantový Moorův zákon, ale v průběhu následujících let teprve uvidíme, zda tomu tak skutečně bude.
Inženýři Googlu vidí kromě zvyšování počtu qubitů hlavní činnost v podobě zlepšování systému pro odstraňování chyb a s postupným růstem výkonu bychom se jednou měli dočkat toho, že na kvantových čipech bude možné provozovat i známé kvantové algoritmy jako Shor nebo Grover.
Podrobné informace o milníku a kvantovém čipu si můžete přečíst v originálním materiálu na webu Nature.
Vyjádření IBM
IBM, které rovněž představilo 53qubitový čip, se na blogu vyjádřilo k milníku Googlu velmi negativně. Dle tvrzení inženýrů IBM si Google vytvořil velmi přizpůsobený problém, který se i zbytečně složitě snažil řešit pomocí klasického počítače.
Zatímco Google tvrdí, že by simulaci daného kvantového obvodu musel i ten nejvýkonnější superpočítač řešit 10 tisíc let, podle IBM lze tuto simulaci zjednodušit a vypočítat v nejhorším případě za 2,5 dne.
Pravda tak nejspíše bude někde mezi - Google porovnal přesně stejný problém, ale neřešil, jak by se dal daný problém optimalizovat na klasickém počítači.
IBM rovněž dodává, že kvantový počítač je třeba brát jako doplňující formu ke klasickému počítači a rozhodně se nejedná o jeho náhradu. Každá forma obou počítačů je specializovaná na jiné typy úloh, a to se ještě velmi dlouhou dobu nezmění. Kvantové počítače ale samozřejmě přináší obrovský pokrok především pro oblast vědy.
