Keunggulan kuantum, supremasi kuantum, dan utilitas kuantum: apa arti kata-kata itu

Tiga frasa terus muncul dalam liputan komputasi kuantum: supremasi kuantum (quantum supremacy), keunggulan kuantum (quantum advantage), dan utilitas kuantum (quantum utility). Kadang ketiganya diperlakukan sebagai sinonim, kadang sebagai anak tangga kemajuan. Keduanya bukan. Ketiganya berasal dari makalah dan ceramah yang berbeda, membuat perbandingan yang berbeda, dan masing-masing dapat digunakan dengan cermat atau sembarangan.

Panduan ini menjelaskan dari mana kata-kata itu berasal, apa yang harus dirinci oleh klaim yang bertanggung jawab, dan cara membacanya bersama gagasan yang lebih mendasar tentang qubit dan koreksi kesalahan. Panduan ini mendampingi daftar periksa kami tentang cara membaca pengumuman komputasi kuantum.

Supremasi kuantum

John Preskill memperkenalkan istilah “quantum supremacy” pada 2012 dalam ceramah rangkuman yang kemudian diterbitkan sebagai “Quantum computing and the entanglement frontier”. Ia menggunakannya untuk momen yang diharapkan ketika sistem kuantum yang terkendali dengan baik dapat melakukan tugas di luar kemampuan komputer digital biasa. Dalam ceramah itu, demonstrasi supremasi yang meyakinkan tidak harus memecahkan masalah industri yang berguna. Tugasnya bisa saja dibuat-buat, dipilih karena sulit disimulasikan secara klasik dan dapat dijalankan pada perangkat keras dalam waktu dekat.

Makna itu — perangkat kuantum melakukan sesuatu yang menyulitkan atau melampaui simulasi klasik yang masuk akal, belum tentu sesuatu yang mau dibayar orang — adalah makna yang melekat dalam literatur penelitian.

Klaim yang paling terkenal muncul pada Oktober 2019, ketika Google dan mitranya menerbitkan “Quantum supremacy using a programmable superconducting processor” di Nature. Mereka melaporkan eksperimen pengambilan sampel sirkuit acak pada prosesor Sycamore 53 qubit dan memperkirakan bahwa tugas yang diselesaikan perangkat kuantum mereka dalam sekitar 200 detik akan memakan waktu sekitar 10.000 tahun pada superkomputer mutakhir. Angka-angka itu adalah perkiraan para penulis, bukan konstanta alam yang universal: angka itu bergantung pada cara Anda memodelkan simulasi klasiknya.

Peneliti IBM menanggapi secara terbuka, termasuk dalam tulisan blog berjudul “On “quantum supremacy””, dengan berargumen bahwa simulasi klasik yang lebih cermat — terutama yang lebih baik memanfaatkan penyimpanan sekunder — dapat menyelesaikan tugas pengambilan sampel yang sama dalam beberapa hari, bukan ribuan tahun. Perselisihannya bukan tentang apakah Sycamore menjalankan sirkuit yang sulit. Perselisihannya tentang apa arti “di luar jangkauan komputer klasik” ketika algoritme klasik dan model mesinnya dirinci dengan lebih longgar.

Pertukaran itu menjadi templat untuk membaca setiap klaim bergaya supremasi berikutnya: sebutkan tugasnya, sebutkan perangkat kuantumnya, sebutkan acuan klasiknya, dan perkirakan acuan itu akan bergeser seiring membaiknya algoritme klasik.

Keunggulan kuantum

“Quantum advantage” digunakan dalam dua cara yang saling tumpang tindih, dan itulah sebabnya istilah ini menimbulkan masalah.

Dalam satu penggunaan, istilah ini adalah sebutan yang lebih lunak untuk supremasi: komputer kuantum mengungguli komputer klasik pada tugas yang terdefinisi dengan baik. Sebagian peneliti lebih menyukai “advantage” karena kata “supremacy” dalam bahasa Inggris membawa konotasi politik yang tidak berhubungan dengan fisika. Jika sebuah makalah mengatakan menghindari kata supremacy karena alasan itu, makalah tersebut biasanya masih berbicara tentang perbandingan komputasi, bukan tentang produk yang secara umum lebih baik daripada komputer klasik.

Dalam penggunaan lainnya, “advantage” dikhususkan untuk percepatan (atau perbaikan biaya maupun energi) pada masalah yang memang sudah dipedulikan orang — kimia, material, optimisasi, kriptografi — bukan pada tugas pengambilan sampel yang dirancang untuk perbandingan. Menurut penggunaan yang lebih ketat itu, eksperimen pengambilan sampel sirkuit acak dapat merupakan supremasi tanpa merupakan keunggulan.

Anda tidak dapat mengetahui makna mana yang dimaksud sebuah pengumuman kecuali pengumuman itu menyebutkan apa yang dibandingkan dengan apa. Judul berita yang hanya mengatakan “keunggulan kuantum tercapai” tidaklah lengkap.

Utilitas kuantum

“Utility” menjadi luas digunakan setelah makalah Nature tahun 2023 oleh Youngseok Kim, Andrew Eddins, Abhinav Kandala, dan rekan-rekan di IBM serta mitra akademis: “Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance”. Eksperimen itu menjalankan sirkuit pada prosesor superkonduktor 127 qubit yang berderau, termasuk sirkuit dengan hingga 60 lapis gerbang dua qubit (2.880 gerbang CNOT pada kasus terbesar yang mereka soroti). Para penulis berargumen bahwa mereka dapat mengukur nilai ekspektasi yang akurat pada skala di luar komputasi klasik brute-force, dan bahwa hasil mereka tetap andal dalam rezim yang sangat terbelit, di mana sebagian metode klasik aproksimasi terkemuka, termasuk pendekatan jaringan tensor tertentu, gagal.

Dua catatan kehati-hatian langsung berasal dari makalah itu sendiri. Pertama, para penulis membingkainya sebagai bukti utilitas di era sebelum toleransi kesalahan — landasan untuk menjelajahi metode jangka dekat — bukan sebagai klaim bahwa aplikasi komersial kini mengalahkan setiap pemecah masalah klasik. Kedua, mereka membandingkan dengan teknik klasik tertentu (simulasi brute-force jika masih dapat diterapkan, dan metode aproksimasi yang disebutkan jika tidak). Algoritme klasik yang muncul kemudian dapat mempersempit atau menutup kesenjangan itu, sebagaimana karya simulasi klasik menjawab sebagian perbandingan supremasi 2019.

Dalam bahasa pemasaran yang lebih longgar, “utility” kadang diregangkan menjadi “pelanggan mendapatkan nilai dari sistem kuantum kami”. Itu bisa menjadi pernyataan bisnis yang wajar. Namun itu bukan klaim yang sama dengan makalah 2023.

Bagaimana kata-kata ini berkaitan dengan NISQ dan toleransi kesalahan

Esai NISQ Preskill berikutnya (2018) menggambarkan era perangkat dengan puluhan hingga ratusan qubit berderau, cukup menarik untuk menjalankan eksperimen yang sulit disimulasikan, dan belum dilindungi oleh koreksi kesalahan toleran-kesalahan penuh. Eksperimen pengambilan sampel bergaya supremasi secara alami berada di era itu: eksperimen tersebut menanyakan apakah perangkat yang berderau dapat melampaui simulasi klasik pada tugas yang dirancang khusus.

Algoritme skala besar yang berguna seperti yang dibahas di buku teks umumnya mengandaikan mesin toleran-kesalahan, di mana qubit logis dan gerbang logis cukup andal untuk menjalankan sirkuit yang dalam. Itu tonggak yang berbeda dari supremasi, keunggulan, atau utilitas. Sebuah kelompok dapat melaporkan kemajuan dalam koreksi kesalahan tanpa mengklaim keunggulan, dan dapat melaporkan eksperimen bergaya supremasi tanpa memiliki qubit logis.

Mencampuradukkan lapisan-lapisan ini — “kami menunjukkan supremasi, jadi algoritme yang berguna sudah hadir” — adalah lompatan paling umum dalam liputan populer. Makalah eksperimental itu sendiri jarang membuat lompatan tersebut.

Uji baca untuk ketiga klaim

Apa pun kata yang dipilih sebuah pengumuman, pertanyaannya sama:

• Tugas. Masukan apa yang diberikan, keluaran apa yang dihasilkan, dan mengapa keluaran itu sulit diperoleh secara klasik?
• Perangkat kuantum. Berapa qubit, modalitas apa, kedalaman sirkuit berapa, dan mitigasi atau koreksi kesalahan apa yang digunakan?
• Acuan klasik. Algoritme apa, mesin apa, berapa waktu dan memori, dan siapa yang memilih implementasinya — tim kuantum atau kelompok klasik yang independen?
• Verifikasi. Bagaimana seseorang tahu bahwa keluaran kuantum itu benar jika masalahnya terlalu besar untuk disimulasikan secara eksak?
• Umur klaim. Apakah metode klasik yang lebih baru sudah mempersempit kesenjangan? Klaim supremasi dan keunggulan dapat menyusut tanpa ada kesalahan dalam eksperimen aslinya.
• Kegunaan. Apakah tugas itu sesuatu yang ingin dipecahkan oleh pengguna di luar eksperimen, atau tolok ukur yang dibuat untuk perbandingan?

Jika jawaban-jawaban itu ada di makalah atau tulisan blog teknis, kata di judul berita menjadi kurang penting. Jika tidak ada, kata di judul berita tidak dapat menggantikannya.

Bagaimana DesignQuantum^™ menggunakan istilah-istilah ini

Dalam berita kami, kami lebih suka mengulang perbandingan yang benar-benar dibuat oleh kelompok pengumum, dengan kata-kata mereka sendiri yang diatribusikan, dan menautkan ke makalah atau tulisannya. Kami menggunakan “supremasi”, “keunggulan”, atau “utilitas” dengan suara kami sendiri hanya jika jelas perbandingan apa yang dimaksud. Jika siaran pers menggunakan salah satu kata ini tanpa perbandingan, kami memperlakukannya sebagai klaim pembicara, bukan hasil yang telah kami nilai secara independen.

Kosakata akan terus bergeser. Yang tidak boleh bergeser adalah tuntutan bahwa klaim komputasi menyebutkan tugas dan acuannya.