IBM a vědci z University of Chicago nyní předvedli experiment se 70 logickými qubity, v němž se pokusili vyřešit obě věci současně. Vytvořili výpočet dost složitý na to, aby se vymykal praktickým možnostem předních klasických simulací, ale zároveň do něj zabudovali mechanismus, který dovoluje statisticky určit, jak věrně jej kvantový procesor provedl.
Kvantová výhoda má jeden velmi nepříjemný paradox
Jedním z velkých cílů kvantových počítačů je takzvaná quantum advantage, kvantová výhoda. Jde o okamžik, kdy kvantový stroj provede určitý výpočet, který je pro nejlepší dostupné klasické metody prakticky mimo dosah.
Podobná oznámení už jsme slyšeli několikrát. Slavný byl například experiment Googlu se Sycamorem v roce 2019. Problém spočívá v tom, že souboj mezi kvantovými a klasickými počítači není definitivně rozhodnut jedním rekordem. Po každém podobném experimentu se programátoři snaží vymyslet chytřejší klasické algoritmy a úlohu, která původně vypadala nedosažitelně, někdy dokážou výrazně urychlit.
Je tu ale ještě hlubší potíž. Dokud lze kvantový výpočet klasicky simulovat, můžeme jeho odpověď porovnat s výsledkem klasického počítače. Čím více se ale přibližujeme skutečné kvantové výhodě, tím nemožnější právě tato kontrola začíná být.
Je to jako postavit kalkulačku určenou k výpočtům, které už žádná jiná kalkulačka na světě nezvládne – a potom zjistit, že jsme současně přišli o možnost zkontrolovat její domácí úkol.
Právě verifikaci označuje Bill Fefferman z University of Chicago za jednu z největších překážek při přesvědčivém dokazování kvantové výhody.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Vědci proto kvantovému výpočtu nechali kontrolní kostru
Nový experiment vychází z chytrého kompromisu. Výzkumníci nejprve pracovali s takzvaným Cliffordovým obvodem. Ten může být velmi rozsáhlý, ale má matematickou strukturu, díky níž ho stále dokážeme efektivně simulovat na klasickém počítači. To je výhodné pro kontrolu, jenže právě proto sám o sobě nemůže demonstrovat kvantovou výhodu.
Tým tedy do této relativně „čitelně“ uspořádané konstrukce přidal 468 takzvaných T-gates. Ty patří mezi ne-Cliffordovské operace a právě ony výrazně zvyšují obtížnost klasické simulace.
Výsledkem je zajímavý hybrid: základní kostra obvodu si uchovává vlastnosti vhodné pro detekci chyb, zatímco přidané operace posunou výpočet do oblasti, kde už nejlepší známé klasické metody narážejí na praktickou neproveditelnost. Autoři tento přístup označují jako doped Clifford sampling.
Sedmdesát logických qubitů a více než dva tisíce operací
Experiment využil 70 datových qubitů zakódovaných pomocí takzvaných spacetime codes. Celkem bylo pro výpočet a kontrolní qubity použito 97 fyzických qubitů.
Obvod provedl 2 415 logických dvouqubitových operací a 468 T-gates. Výpočet měl hloubku 70 vrstev a kvantovému systému trvalo získání potřebných výsledků přibližně 15 až 16 minut.
Důležitější než samotná velikost ale bylo chování chyb. Kvantové qubity jsou extrémně citlivé. Ruší je tepelné fluktuace, nedokonalé operace i interakce s okolím a drobné chyby se mohou během dlouhého výpočtu rychle nahromadit. Pokud je jich příliš mnoho, výsledkem není chytřejší odpověď než u klasického počítače, ale statistický šum.
Použitý kód umožnil chyby během jednotlivých běhů detekovat. Po takzvané syndrome post-selection dosáhla efektivní chybovost přibližně desetkrát nižší úrovně než u samotných fyzických operací.
Tady je ale důležitý detail: systém většinu zachycených chyb neopravil během běžícího výpočtu. Pokud kontrolní mechanismus oznámil problém, daný běh mohl být jednoduše vyřazen.
To ještě není plně odolný univerzální kvantový počítač, který by si průběžně opravoval chyby a pokračoval dál.
Jak se kontroluje odpověď, kterou nedokážeme sami spočítat
Nejzajímavější část experimentu začíná právě zde. U kontrolního Cliffordova obvodu lze jeho věrnost měřit klasicky. Vědci potom přidali T-gates takovým způsobem, aby nenarušili strukturu kontrolních syndromů. Z chování ověřitelné referenční verze a z měřených chyb tak mohli matematicky odvodit dolní hranici věrnosti složitějšího obvodu, jehož ideální výsledek už efektivně klasicky simulovat neuměli.
Autoři uvádějí, že pro obtížný obvod dokázali s 95procentní statistickou spolehlivostí určit dolní hranici fidelity 0,284. Číslo 0,284 může na první pohled působit překvapivě nízko. Fidelity zde ale neznamená „počítač měl správně jen 28,4 procenta odpovědí“ jako při školním testu. Jde o matematickou míru podobnosti skutečně připraveného kvantového stavu s ideálním stavem mimořádně složitého systému.
Podstatné je, že vědci dokázali stanovit jeho spodní hranici bez nutnosti klasicky přepočítat celý obtížný kvantový stav. Právě to je na experimentu nové.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Kvantový počítač dostal něco jako zabudovanou kontrolku
Pro běžného uživatele lze princip přirovnat k zařízení, jehož celý vnitřní proces nedokážeme sledovat, ale vybavíme jej soustavou kontrolních bodů.
Nevidíme každou část výpočtu a nedokážeme vytvořit jeho přesnou klasickou kopii. Víme však, jak se systém musí chovat v kontrolovatelném režimu, a během obtížnějšího výpočtu sledujeme signály, které by měly odhalit určité typy chyb.
Když se kontrolní statistiky chovají podle očekávání, lze z nich odvodit, s jakou minimální věrností proběhl celý proces. Taková kontrola není absolutní. Sami autoři upozorňují, že jejich certifikát je device-dependent – jeho platnost závisí na konkrétní konstrukci experimentu a určitých předpokladech o zařízení.
Přesto podle nich vyžaduje podstatně slabší předpoklady o charakteru šumu než některé dřívější metody používané k potvrzování kvantové výhody.
Má to ovšem cenu: spoustu výpočtů musíte zahodit
Celý trik má slabinu, kterou není možné přehlédnout. Post-selection znamená, že pokud systém při konkrétním běhu zachytí chybu, data se zahodí a výpočet se musí opakovat. Díky tomu zůstávají přeživší výsledky mnohem čistší, ale platí se za to výpočetním časem.
Čím větší a hlubší obvod bude, tím více příležitostí ke vzniku chyby dostane. Pokud by s rostoucí velikostí prudce klesal podíl běhů, které projdou kontrolou, stala by se metoda příliš drahou.
V experimentu tým nakonec získal 2 051 postselektovaných vzorků během přibližně 16 minut. Samotná studie otevřeně uvádí, že detekce chyb zvyšuje fidelity za cenu sampling overheadu.
To je zásadní rozdíl proti budoucímu plně fault-tolerant kvantovému počítači. Ten by neměl chybné běhy pouze zahazovat. Měl by chyby průběžně rozpoznávat, opravovat nebo evidovat a pokračovat v práci.
Současný experiment je tedy důležitý krok, ne konečná architektura budoucího kvantového superpočítače.
A k čemu je výpočet, který vlastně nic praktického neřeší?
Také zde je potřeba ubrat marketing. IBM po zveřejnění výsledku prohlásila, že jsme „firmly in the quantum advantage era“. To je výrazně sebevědomější formulace, než jakou dovoluje samotný význam jednoho experimentu.
Úloha totiž nebyla například simulací nového léku, optimalizací elektrické sítě nebo výpočtem nového materiálu. Byla záměrně vytvořena jako benchmark – matematická úloha vhodná právě k testování hranice mezi klasickým a kvantovým výpočtem. To ale neznamená, že je experiment bez praktického významu.
Pokud jednou chceme používat kvantové počítače například k modelování molekul, nových materiálů, magnetických systémů nebo komplikovaných kvantových dějů, můžeme velmi rychle narazit na stejný problém: výpočet bude užitečný právě proto, že jej klasický stroj nedokáže provést.
A v tu chvíli musíme mít jiný způsob, jak výsledku důvěřovat. Vývoj verifikace proto není pouze akademický doplněk k rychlejšímu hardware. Je jednou z podmínek, aby kvantový počítač mohl někdy fungovat jako vědecký nástroj.
Jinak bychom měli nejvýkonnější kalkulačku světa, které nesmíme věřit
Představme si, že kvantový počítač jednou vypočítá vlastnosti komplikované molekuly a oznámí, že určitá její konfigurace bude stabilní. Klasický superpočítač to nedokáže ověřit, protože právě překonání jeho možností je důvodem, proč jsme kvantový stroj použili.
Co potom? Můžeme molekulu syntetizovat a výsledek otestovat experimentálně. U některých problémů to bude možné. U jiných by ověřování každého výpočtu fyzickým experimentem popíralo smysl počítačové simulace.
Budoucí kvantová výpočetní technika proto nepotřebuje pouze stále více qubitů. Potřebuje systémy, které dokážou chyby potlačovat a současně poskytnou věrohodný důkaz, že výsledek nevznikl z šumu.
Experiment IBM a University of Chicago ukazuje jednu možnou cestu: nečekat, až po výpočtu zjistíme, zda mu lze věřit, ale zabudovat část kontroly přímo do konstrukce výpočtu.
Nejzajímavější není patnáct minut
Patnáctiminutový údaj bude nepochybně nejlépe fungovat v titulcích. Je konkrétní a nabízí snadné srovnání s klasickými počítači.
Jenže skutečně důležitý posun leží jinde. Kvantové počítače se postupně dostávají do zvláštní oblasti, kde jejich nejsilnější vlastnost současně vytváří jejich největší epistemologický problém. Čím složitější výpočet dokážou provést, tím méně jsme schopni nezávisle sledovat, co vlastně udělaly.
Vědci tedy musejí vyřešit nejen to, jak kvantový stroj přimět spočítat něco, co klasický počítač nezvládne. Musejí zároveň vyřešit otázku, která zní skoro filozoficky:
Jak dokázat, že stroj zná správnou odpověď, když už ji nikdo jiný nedokáže spočítat? Právě v tom může být tento experiment důležitější než samotný rychlostní rekord.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], arXiv – Sampling hard circuits with verifiably high fidelity [2], IBM Research – IBM and The University of Chicago Demonstrate Quantum Advantage, Establishing Trusted Quantum Computation on Logical Circuits [3], University of Chicago – IBM, UChicago demonstrate ‘quantum advantage,’ outperforming traditional computers with a quantum computer [4], IBM Quantum – Researchers demonstrate quantum advantage through trusted quantum computation [5]
