Przewaga kwantowa, supremacja kwantowa i użyteczność kwantowa: co znaczą te słowa

W relacjach o obliczeniach kwantowych wciąż powracają trzy wyrażenia: supremacja kwantowa (quantum supremacy), przewaga kwantowa (quantum advantage) i użyteczność kwantowa (quantum utility). Czasem traktuje się je jak synonimy, czasem jak drabinę postępu. Nie są ani jednym, ani drugim. Pochodzą z różnych publikacji i wystąpień, dotyczą różnych porównań i każde z nich może być używane starannie lub niedbale.

Ten poradnik wyjaśnia, skąd pochodzą te słowa, co powinno precyzować odpowiedzialne twierdzenie i jak je czytać w zestawieniu z bardziej podstawowymi pojęciami kubitów i korekcji błędów. Uzupełnia naszą listę kontrolną jak czytać ogłoszenia o obliczeniach kwantowych.

Supremacja kwantowa

John Preskill wprowadził termin „quantum supremacy” w 2012 roku w referacie sprawozdawczym, opublikowanym później jako „Quantum computing and the entanglement frontier”. Użył go na określenie oczekiwanego momentu, w którym dobrze kontrolowany układ kwantowy wykona zadanie wykraczające poza możliwości zwykłych komputerów cyfrowych. W tym wystąpieniu przekonująca demonstracja supremacji nie musiała rozwiązywać użytecznego problemu przemysłowego. Mogło to być zadanie sztuczne, wybrane dlatego, że jest trudne do symulowania klasycznie i wykonalne na sprzęcie najbliższej przyszłości.

To znaczenie — urządzenie kwantowe robi coś, co nadweręża lub przekracza możliwości wiarygodnej symulacji klasycznej, niekoniecznie coś, za co ktokolwiek by zapłacił — utrwaliło się w literaturze naukowej.

Najbardziej znane twierdzenie pojawiło się w październiku 2019 roku, gdy Google i partnerzy opublikowali w Nature artykuł „Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”. Opisali eksperyment z losowym próbkowaniem obwodów na 53-kubitowym procesorze Sycamore i oszacowali, że zadanie, które ich urządzeniu kwantowemu zajęło około 200 sekund, najnowocześniejszemu superkomputerowi zajęłoby około 10 000 lat. Te liczby są szacunkami autorów, a nie uniwersalną stałą natury: zależą od tego, jak modeluje się symulację klasyczną.

Badacze IBM odpowiedzieli publicznie, m.in. we wpisie na blogu zatytułowanym „On “quantum supremacy””, argumentując, że staranniejsza symulacja klasyczna — zwłaszcza lepiej wykorzystująca pamięć masową — mogłaby wykonać to samo zadanie próbkowania w ciągu kilku dni zamiast tysiącleci. Spór nie dotyczył tego, czy Sycamore wykonał trudny obwód. Dotyczył tego, co oznacza „poza zasięgiem komputerów klasycznych”, gdy algorytm klasyczny i model maszyny określi się bardziej hojnie.

Ta wymiana stanowi wzorzec czytania każdego późniejszego twierdzenia w stylu supremacji: nazwij zadanie, nazwij urządzenie kwantowe, nazwij klasyczny punkt odniesienia i spodziewaj się, że ten punkt odniesienia przesunie się wraz z poprawą algorytmów klasycznych.

Przewaga kwantowa

„Quantum advantage” używa się na dwa nakładające się sposoby i właśnie dlatego sprawia ono kłopoty.

W jednym użyciu jest łagodniejszym określeniem supremacji: komputer kwantowy radzi sobie lepiej niż klasyczny w dobrze zdefiniowanym zadaniu. Niektórzy badacze wolą „advantage”, bo angielskie „supremacy” ma polityczne konotacje niezwiązane z fizyką. Jeśli publikacja mówi, że z tego powodu unika słowa supremacy, zwykle nadal mówi o porównaniu obliczeniowym, a nie o produkcie ogólnie lepszym od komputerów klasycznych.

W drugim użyciu „advantage” zarezerwowane jest dla przyspieszenia (lub poprawy kosztu albo zużycia energii) w problemie, który już kogoś obchodzi — w chemii, materiałoznawstwie, optymalizacji, kryptografii — a nie w zadaniu próbkowania wymyślonym na potrzeby porównania. W tym ściślejszym znaczeniu eksperyment z losowym próbkowaniem obwodów może być supremacją, nie będąc przewagą.

Nie da się stwierdzić, które znaczenie ma na myśli ogłoszenie, jeśli nie mówi, co z czym porównano. Nagłówek mówiący jedynie „osiągnięto przewagę kwantową” jest niepełny.

Użyteczność kwantowa

„Utility” rozpowszechniło się po publikacji w Nature z 2023 roku autorstwa Youngseoka Kima, Andrew Eddinsa, Abhinava Kandali i współpracowników z IBM oraz partnerów akademickich: „Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance”. W eksperymencie uruchomiono obwody na zaszumionym, 127-kubitowym procesorze nadprzewodzącym, w tym obwody z maksymalnie 60 warstwami bramek dwukubitowych (2880 bramek CNOT w największych wyróżnionych przypadkach). Autorzy argumentowali, że potrafią mierzyć dokładne wartości oczekiwane w skali wykraczającej poza obliczenia klasyczne metodą siłową, a ich wyniki pozostawały wiarygodne w silnie splątanym reżimie, w którym zawodziły niektóre czołowe przybliżone metody klasyczne, w tym pewne podejścia oparte na sieciach tensorowych.

Dwa zastrzeżenia wynikają bezpośrednio z samej publikacji. Po pierwsze, autorzy przedstawiają to jako dowód użyteczności w erze przed odpornością na błędy — podstawę do badania metod najbliższej przyszłości — a nie jako twierdzenie, że komercyjne zastosowanie bije dziś każdy klasyczny solver. Po drugie, porównują z konkretnymi technikami klasycznymi (symulacją siłową tam, gdzie wciąż ma zastosowanie, i wymienionymi metodami przybliżonymi tam, gdzie nie). Późniejsze algorytmy klasyczne mogą zmniejszyć lub zniwelować tę lukę, tak jak prace nad symulacją klasyczną odpowiedziały na część porównania supremacji z 2019 roku.

W luźniejszym języku marketingowym „utility” bywa rozciągane do znaczenia „klienci czerpią wartość z naszego systemu kwantowego”. Może to być rozsądne twierdzenie biznesowe. Nie jest to jednak to samo twierdzenie co publikacja z 2023 roku.

Jak te słowa mają się do NISQ i odporności na błędy

Późniejszy esej Preskilla o NISQ (2018) opisywał erę urządzeń z dziesiątkami do setek zaszumionych kubitów, wystarczająco interesujących, by prowadzić eksperymenty trudne do symulowania, ale jeszcze niechronionych pełną, odporną na błędy korekcją błędów. Eksperymenty próbkowania w stylu supremacji naturalnie mieszczą się w tej erze: pytają, czy zaszumione urządzenie może wyprzedzić symulację klasyczną w zadaniu dobranym na miarę.

Użyteczne algorytmy na dużą skalę, takie jak omawiane w podręcznikach, zwykle zakładają maszynę odporną na błędy, w której kubity logiczne i bramki logiczne są wystarczająco niezawodne, by wykonywać głębokie obwody. To inny kamień milowy niż supremacja, przewaga czy użyteczność. Grupa może ogłosić postęp w korekcji błędów bez twierdzenia o przewadze i może ogłosić eksperyment w stylu supremacji bez posiadania kubitu logicznego.

Mieszanie tych warstw — „pokazaliśmy supremację, więc użyteczne algorytmy są już tutaj” — to najczęstszy przeskok w relacjach popularnych. Same publikacje eksperymentalne rzadko go wykonują.

Test czytania dla każdego z trzech twierdzeń

Niezależnie od tego, które słowo wybiera ogłoszenie, obowiązują te same pytania:

• Zadanie. Jakie są dane wejściowe, jaki wynik powstaje i dlaczego ten wynik jest trudny do uzyskania klasycznie?
• Urządzenie kwantowe. Ile kubitów, jaka modalność, jaka głębokość obwodu i jakiej mitygacji lub korekcji błędów użyto?
• Klasyczny punkt odniesienia. Jaki algorytm, jaka maszyna, ile czasu i pamięci, i kto wybrał implementację — zespół kwantowy czy niezależna grupa klasyczna?
• Weryfikacja. Skąd wiadomo, że wynik kwantowy jest poprawny, skoro problem jest zbyt duży, by symulować go dokładnie?
• Trwałość twierdzenia. Czy późniejsza metoda klasyczna już zmniejszyła lukę? Twierdzenia o supremacji i przewadze mogą się kurczyć, mimo że w pierwotnym eksperymencie nie ma błędu.
• Użyteczność. Czy zadanie jest czymś, co użytkownik spoza eksperymentu chciał rozwiązać, czy benchmarkiem stworzonym na potrzeby porównania?

Jeśli te odpowiedzi są w publikacji lub technicznym wpisie na blogu, słowo w nagłówku ma mniejsze znaczenie. Jeśli ich nie ma, słowo w nagłówku ich nie zastąpi.

Jak DesignQuantum^™ używa tych terminów

W naszych wiadomościach wolimy powtórzyć porównanie, którego faktycznie dokonała ogłaszająca grupa, jej własnymi przypisanymi słowami, i podać link do publikacji lub wpisu. Używamy „supremacji”, „przewagi” lub „użyteczności” własnym głosem tylko wtedy, gdy jasne jest, o jakie porównanie chodzi. Jeśli komunikat prasowy używa jednego z tych słów bez porównania, traktujemy to jako twierdzenie mówiącego, a nie wynik, który niezależnie oceniliśmy.

Słownictwo będzie się dalej zmieniać. Nie powinien się zmieniać wymóg, by twierdzenie obliczeniowe wskazywało swoje zadanie i swój punkt odniesienia.