क्वांटम एडवांटेज, क्वांटम सुप्रीमेसी और क्वांटम यूटिलिटी: इन शब्दों का क्या अर्थ है

क्वांटम कंप्यूटिंग की कवरेज में तीन वाक्यांश बार-बार आते हैं: क्वांटम सुप्रीमेसी, क्वांटम एडवांटेज और क्वांटम यूटिलिटी। कभी इन्हें पर्यायवाची माना जाता है और कभी प्रगति की सीढ़ी। ये दोनों में से कुछ भी नहीं हैं। ये अलग-अलग शोधपत्रों और वार्ताओं से आए हैं, अलग-अलग तुलनाएँ करते हैं, और इन सभी का उपयोग सावधानी से या लापरवाही से किया जा सकता है।

यह गाइड बताती है कि ये शब्द कहाँ से आए, एक ज़िम्मेदार दावे को क्या स्पष्ट करना चाहिए, और इन्हें क्यूबिट और त्रुटि-सुधार जैसे अधिक बुनियादी विचारों के साथ कैसे पढ़ें। यह क्वांटम कंप्यूटिंग की घोषणा कैसे पढ़ें पर हमारी जाँच-सूची के साथ जोड़ी में है।

क्वांटम सुप्रीमेसी

John Preskill ने 2012 की एक रैपोर्टियर वार्ता में “quantum supremacy” शब्द प्रस्तुत किया, जिसे बाद में “Quantum computing and the entanglement frontier” के रूप में प्रकाशित किया गया। उन्होंने इसका उपयोग उस अपेक्षित क्षण के लिए किया जब एक अच्छी तरह नियंत्रित क्वांटम सिस्टम ऐसा कार्य कर सके जो साधारण डिजिटल कंप्यूटरों की क्षमता से परे हो। उस वार्ता में, एक विश्वसनीय सुप्रीमेसी प्रदर्शन के लिए किसी उपयोगी औद्योगिक समस्या को हल करना ज़रूरी नहीं था। वह एक कृत्रिम कार्य हो सकता था, जिसे इसलिए चुना गया हो क्योंकि उसका क्लासिकल सिमुलेशन कठिन है और उसे निकट-भविष्य के हार्डवेयर पर चलाया जा सकता है।

यही अर्थ — एक क्वांटम डिवाइस कुछ ऐसा कर रहा है जो विश्वसनीय क्लासिकल सिमुलेशन की सीमा को खींचता या उससे आगे जाता है, ज़रूरी नहीं कि ऐसा कुछ जिसकी गणना के लिए कोई पैसे दे — शोध साहित्य में टिक गया।

सबसे प्रसिद्ध दावा अक्टूबर 2019 में आया, जब Google और सहयोगियों ने Nature में “Quantum supremacy using a programmable superconducting processor” प्रकाशित किया। उन्होंने 53-क्यूबिट Sycamore प्रोसेसर पर एक रैंडम-सर्किट सैंपलिंग प्रयोग की रिपोर्ट दी और अनुमान लगाया कि जिस कार्य में उनके क्वांटम डिवाइस को लगभग 200 सेकंड लगे, उसमें एक अत्याधुनिक सुपरकंप्यूटर को लगभग 10,000 वर्ष लगेंगे। ये संख्याएँ लेखकों के अनुमान हैं, प्रकृति का कोई सार्वभौमिक स्थिरांक नहीं: ये इस पर निर्भर करती हैं कि क्लासिकल सिमुलेशन का मॉडल कैसे बनाया जाए।

IBM के शोधकर्ताओं ने सार्वजनिक रूप से जवाब दिया, जिसमें “On ‘quantum supremacy’” शीर्षक वाला एक ब्लॉग पोस्ट भी शामिल था, और तर्क दिया कि अधिक सावधान क्लासिकल सिमुलेशन — विशेष रूप से वह जो द्वितीयक भंडारण का बेहतर उपयोग करे — वही सैंपलिंग कार्य सहस्राब्दियों के बजाय कुछ ही दिनों में पूरा कर सकता है। असहमति इस पर नहीं थी कि Sycamore ने कोई कठिन सर्किट चलाया या नहीं। यह इस पर थी कि जब क्लासिकल एल्गोरिद्म और मशीन मॉडल को अधिक उदारता से निर्दिष्ट किया जाए, तो “क्लासिकल कंप्यूटरों की पहुँच से परे” का क्या अर्थ है।

यह आदान-प्रदान बाद के हर सुप्रीमेसी-शैली के दावे को पढ़ने का खाका है: कार्य का नाम बताएँ, क्वांटम डिवाइस का नाम बताएँ, क्लासिकल आधार-रेखा का नाम बताएँ, और उम्मीद रखें कि क्लासिकल एल्गोरिद्म में सुधार के साथ आधार-रेखा बदलेगी।

क्वांटम एडवांटेज

“क्वांटम एडवांटेज” का उपयोग दो आंशिक रूप से मिलते-जुलते तरीकों से होता है, और इसीलिए यह परेशानी पैदा करता है।

एक उपयोग में यह सुप्रीमेसी का हल्का पर्यायवाची है: एक क्वांटम कंप्यूटर किसी सुपरिभाषित कार्य पर क्लासिकल कंप्यूटर से बेहतर प्रदर्शन करता है। कुछ शोधकर्ता “advantage” को इसलिए पसंद करते हैं क्योंकि अंग्रेज़ी में “supremacy” के राजनीतिक निहितार्थ हैं जिनका भौतिकी से कोई लेना-देना नहीं है। जब कोई शोधपत्र कहता है कि वह इस कारण से supremacy शब्द से बच रहा है, तो वह आमतौर पर अब भी एक गणनात्मक तुलना की बात कर रहा होता है, न कि इस बात की कि कोई उत्पाद सामान्य रूप से क्लासिकल कंप्यूटरों से बेहतर है।

दूसरे उपयोग में, “advantage” उस गति-वृद्धि (या लागत या ऊर्जा में सुधार) के लिए आरक्षित है जो किसी ऐसी समस्या पर हो जिसकी लोगों को पहले से परवाह है — रसायन विज्ञान, पदार्थ, ऑप्टिमाइज़ेशन, क्रिप्टोग्राफ़ी — न कि तुलना के लिए गढ़े गए किसी सैंपलिंग कार्य पर। इस सख़्त उपयोग के अनुसार, एक रैंडम-सर्किट सैंपलिंग प्रयोग एडवांटेज हुए बिना सुप्रीमेसी हो सकता है।

आप तब तक नहीं बता सकते कि कोई घोषणा कौन-सा अर्थ चाहती है, जब तक वह यह न बताए कि किसकी तुलना किससे की गई। केवल “क्वांटम एडवांटेज हासिल हुआ” कहने वाली सुर्ख़ी अधूरी है।

क्वांटम यूटिलिटी

“यूटिलिटी” शब्द व्यापक चलन में 2023 के एक Nature शोधपत्र के बाद आया, जिसे IBM और शैक्षणिक साझेदारों के Youngseok Kim, Andrew Eddins, Abhinav Kandala और सहयोगियों ने लिखा था: “Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance”। प्रयोग में एक शोरयुक्त 127-क्यूबिट सुपरकंडक्टिंग प्रोसेसर पर सर्किट चलाए गए, जिनमें दो-क्यूबिट गेटों की 60 परतों तक वाले सर्किट शामिल थे (उनके द्वारा उजागर किए गए सबसे बड़े मामलों में 2,880 CNOT गेट)। लेखकों ने तर्क दिया कि वे ब्रूट-फ़ोर्स क्लासिकल गणना से परे के पैमाने पर सटीक अपेक्षित मान माप सकते हैं, और कि अत्यधिक उलझी हुई व्यवस्था में उनके परिणाम वहाँ भी विश्वसनीय रहे जहाँ कुछ प्रमुख अनुमानित क्लासिकल विधियाँ, जिनमें कुछ टेंसर-नेटवर्क दृष्टिकोण शामिल हैं, विफल हो गईं।

शोधपत्र से ही दो सावधानियाँ सीधे निकलती हैं। पहली, लेखक इसे फ़ॉल्ट-टॉलरेंस से पहले के युग में यूटिलिटी के प्रमाण के रूप में प्रस्तुत करते हैं — निकट-भविष्य की विधियों की खोज के लिए एक आधार — न कि इस दावे के रूप में कि कोई व्यावसायिक अनुप्रयोग अब हर क्लासिकल सॉल्वर को पछाड़ देता है। दूसरी, वे विशिष्ट क्लासिकल तकनीकों से तुलना करते हैं (जहाँ ब्रूट-फ़ोर्स सिमुलेशन अब भी लागू होता है वहाँ उससे, और जहाँ नहीं होता वहाँ नामित अनुमानित विधियों से)। बाद के क्लासिकल एल्गोरिद्म उस अंतर को कम या समाप्त कर सकते हैं, ठीक वैसे ही जैसे क्लासिकल सिमुलेशन के काम ने 2019 की सुप्रीमेसी तुलना के कुछ हिस्सों का जवाब दिया।

ढीली मार्केटिंग भाषा में “यूटिलिटी” को कभी-कभी खींचकर “ग्राहकों को हमारे क्वांटम सिस्टम से मूल्य मिल रहा है” के अर्थ में उपयोग किया जाता है। यह एक उचित व्यावसायिक कथन हो सकता है। यह 2023 के शोधपत्र वाला कथन नहीं है।

ये शब्द NISQ और फ़ॉल्ट-टॉलरेंस के साथ कहाँ बैठते हैं

Preskill के बाद के NISQ निबंध (2018) ने ऐसे डिवाइसों के युग का वर्णन किया जिनमें दसियों से सैकड़ों शोरयुक्त क्यूबिट हों, जो ऐसे प्रयोग चलाने लायक दिलचस्प हों जिनका सिमुलेशन कठिन है, और जो अभी पूर्ण फ़ॉल्ट-टॉलरेंट त्रुटि-सुधार से सुरक्षित न हों। सुप्रीमेसी-शैली के सैंपलिंग प्रयोग स्वाभाविक रूप से उसी युग में आते हैं: वे पूछते हैं कि क्या कोई शोरयुक्त डिवाइस किसी विशेष रूप से तैयार किए गए कार्य पर क्लासिकल सिमुलेशन से आगे निकल सकता है।

पाठ्यपुस्तकों में चर्चित प्रकार के उपयोगी, बड़े पैमाने के एल्गोरिद्म आमतौर पर एक फ़ॉल्ट-टॉलरेंट मशीन मानकर चलते हैं, जिसमें लॉजिकल क्यूबिट और लॉजिकल गेट इतने विश्वसनीय हों कि गहरे सर्किट चल सकें। यह सुप्रीमेसी, एडवांटेज या यूटिलिटी से अलग उपलब्धि है। कोई समूह एडवांटेज का दावा किए बिना त्रुटि-सुधार में प्रगति की रिपोर्ट कर सकता है, और लॉजिकल क्यूबिट के बिना सुप्रीमेसी-शैली के प्रयोग की रिपोर्ट कर सकता है।

इन परतों को मिलाना — “हमने सुप्रीमेसी प्रदर्शित की, इसलिए उपयोगी एल्गोरिद्म आ गए हैं” — लोकप्रिय लेखों में सबसे आम छलांग है। प्रयोगात्मक शोधपत्र स्वयं शायद ही कभी यह छलांग लगाते हैं।

तीनों में से किसी भी दावे के लिए एक पठन परीक्षण

घोषणा कोई भी शब्द चुने, वही प्रश्न लागू होते हैं:

• कार्य। कौन-सा इनपुट दिया गया, कौन-सा आउटपुट बना, और वह आउटपुट क्लासिकल रूप से कठिन क्यों है?
• क्वांटम डिवाइस। कितने क्यूबिट, कौन-सी मोडैलिटी, कितनी सर्किट गहराई, और कौन-सा त्रुटि शमन या त्रुटि-सुधार उपयोग किया गया?
• क्लासिकल आधार-रेखा। कौन-सा एल्गोरिद्म, कौन-सी मशीन, कितना समय और मेमोरी, और कार्यान्वयन किसने चुना — क्वांटम टीम ने या किसी स्वतंत्र क्लासिकल समूह ने?
• सत्यापन। जब समस्या सटीक सिमुलेशन के लिए बहुत बड़ी हो जाए, तो कोई कैसे जानता है कि क्वांटम आउटपुट सही है?
• दावे की स्थिरता। क्या किसी बाद की क्लासिकल विधि ने पहले ही अंतर कम कर दिया है? सुप्रीमेसी और एडवांटेज के दावे मूल प्रयोग में किसी त्रुटि के बिना भी सिकुड़ सकते हैं।
• उपयोगिता। क्या यह कार्य कुछ ऐसा है जिसे प्रयोग से बाहर का कोई उपयोगकर्ता हल करवाना चाहता था, या यह तुलना के लिए बनाया गया बेंचमार्क है?

यदि ये उत्तर शोधपत्र या तकनीकी ब्लॉग पोस्ट में हैं, तो सुर्ख़ी का शब्द कम मायने रखता है। यदि नहीं हैं, तो सुर्ख़ी का शब्द उनकी पूर्ति नहीं कर सकता।

DesignQuantum^™ इन शब्दों का उपयोग कैसे करता है

अपनी समाचार रिपोर्टों में हम उसी तुलना को दोहराना पसंद करते हैं जो घोषणा करने वाले समूह ने वास्तव में की, उनके अपने उद्धृत शब्दों में, और फिर शोधपत्र या पोस्ट से लिंक करते हैं। हम अपनी आवाज़ में “सुप्रीमेसी”, “एडवांटेज” या “यूटिलिटी” का उपयोग तभी करते हैं जब यह स्पष्ट हो कि किस तुलना की बात हो रही है। जब कोई विज्ञप्ति इनमें से किसी शब्द का उपयोग बिना तुलना के करती है, तो हम उसे वक्ता का दावा मानते हैं, न कि ऐसा परिणाम जिसका हमने स्वतंत्र रूप से मूल्यांकन किया हो।

शब्दावली बदलती रहेगी। जो नहीं बदलना चाहिए, वह यह माँग है कि कोई भी गणनात्मक दावा अपने कार्य और अपनी आधार-रेखा का नाम बताए।