Квантовое преимущество, квантовое превосходство и квантовая полезность: что означают эти слова

В материалах о квантовых вычислениях постоянно встречаются три выражения: квантовое превосходство (quantum supremacy), квантовое преимущество (quantum advantage) и квантовая полезность (quantum utility). Иногда их считают синонимами, иногда — ступенями лестницы прогресса. Они ни то ни другое. Они пришли из разных статей и докладов, описывают разные сравнения, и каждое можно употреблять аккуратно или небрежно.

Это руководство объясняет, откуда взялись эти слова, что должно уточнять ответственное утверждение и как читать их вместе с более базовыми понятиями кубитов и коррекции ошибок. Оно дополняет наш чек-лист о том, как читать объявления о квантовых вычислениях.

Квантовое превосходство

Джон Прескилл ввёл термин «quantum supremacy» в 2012 году в обзорном докладе, позднее опубликованном как «Quantum computing and the entanglement frontier». Он использовал его для обозначения ожидаемого момента, когда хорошо контролируемая квантовая система сможет выполнить задачу, выходящую за пределы возможностей обычных цифровых компьютеров. В том докладе убедительная демонстрация превосходства не обязана была решать полезную промышленную задачу. Это могла быть искусственная задача, выбранная потому, что её трудно моделировать классически и можно выполнить на оборудовании ближайшего будущего.

Именно это значение — квантовое устройство делает что-то, что напрягает или превосходит возможности правдоподобной классической симуляции, не обязательно то, за что кто-то заплатил бы, — закрепилось в научной литературе.

Самое известное утверждение появилось в октябре 2019 года, когда Google и партнёры опубликовали в Nature статью «Quantum supremacy using a programmable superconducting processor». Они описали эксперимент по случайной выборке из схем на 53-кубитном процессоре Sycamore и оценили, что задача, на которую их квантовому устройству потребовалось около 200 секунд, заняла бы у передового суперкомпьютера около 10 000 лет. Эти числа — оценки авторов, а не универсальная константа природы: они зависят от того, как моделировать классическую симуляцию.

Исследователи IBM ответили публично, в том числе в записи в блоге под названием «On “quantum supremacy”», утверждая, что более тщательная классическая симуляция — особенно лучше использующая внешнюю память — могла бы выполнить ту же задачу выборки за несколько дней, а не тысячелетий. Спор шёл не о том, выполнил ли Sycamore сложную схему. Он шёл о том, что значит «за пределами возможностей классических компьютеров», если классический алгоритм и модель машины задать щедрее.

Этот обмен мнениями — образец для чтения любого последующего утверждения в духе превосходства: назовите задачу, назовите квантовое устройство, назовите классический эталон и ожидайте, что этот эталон сдвинется по мере совершенствования классических алгоритмов.

Квантовое преимущество

«Quantum advantage» употребляется в двух пересекающихся смыслах, и именно поэтому с ним возникают проблемы.

В одном смысле это более мягкий термин для превосходства: квантовый компьютер справляется с чётко определённой задачей лучше классического. Некоторые исследователи предпочитают «advantage», потому что английское «supremacy» несёт политические коннотации, не связанные с физикой. Если статья говорит, что избегает слова supremacy по этой причине, она обычно всё равно говорит о вычислительном сравнении, а не о продукте, который в целом лучше классических компьютеров.

В другом смысле «advantage» резервируется для ускорения (или улучшения по стоимости либо энергопотреблению) в задаче, которая уже кому-то важна, — в химии, материаловедении, оптимизации, криптографии, — а не в задаче выборки, придуманной для сравнения. При таком более строгом употреблении эксперимент по случайной выборке из схем может быть превосходством, не будучи преимуществом.

Нельзя понять, какое значение имеется в виду, если объявление не говорит, что с чем сравнивали. Заголовок, где сказано лишь «достигнуто квантовое преимущество», неполон.

Квантовая полезность

«Utility» широко распространилось после статьи в Nature 2023 года Юнсока Кима, Эндрю Эддинса, Абхинава Кандалы и коллег из IBM и академических партнёров: «Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance». В эксперименте запускались схемы на шумном 127-кубитном сверхпроводящем процессоре, включая схемы с числом слоёв двухкубитных вентилей до 60 (2880 вентилей CNOT в самых крупных выделенных случаях). Авторы утверждали, что могут измерять точные средние значения в масштабе, выходящем за рамки классических вычислений методом полного перебора, и что их результаты оставались надёжными в сильно запутанном режиме, где некоторые ведущие приближённые классические методы, включая определённые подходы на тензорных сетях, давали сбой.

Из самой статьи прямо следуют две оговорки. Во-первых, авторы представляют это как свидетельство полезности в эпоху до отказоустойчивости — основу для исследования методов ближайшего будущего, — а не как утверждение, что коммерческое приложение уже сегодня обходит любой классический решатель. Во-вторых, они сравнивают с конкретными классическими методами (полным перебором там, где он ещё применим, и названными приближёнными методами там, где нет). Более поздние классические алгоритмы могут сократить или закрыть этот разрыв — так же, как работы по классической симуляции ответили на часть сравнения превосходства 2019 года.

В более вольном маркетинговом языке «utility» иногда растягивают до «клиенты получают пользу от нашей квантовой системы». Это может быть разумным деловым утверждением. Но это не то же утверждение, что в статье 2023 года.

Как эти слова соотносятся с NISQ и отказоустойчивостью

Более позднее эссе Прескилла о NISQ (2018) описывало эпоху устройств с десятками–сотнями шумных кубитов, достаточно интересных для экспериментов, которые трудно смоделировать, но ещё не защищённых полной отказоустойчивой коррекцией ошибок. Эксперименты по выборке в духе превосходства естественно относятся к этой эпохе: они проверяют, может ли шумное устройство обогнать классическую симуляцию в специально подобранной задаче.

Полезные крупномасштабные алгоритмы, описанные в учебниках, как правило, предполагают отказоустойчивую машину, в которой логические кубиты и логические вентили достаточно надёжны для выполнения глубоких схем. Это другой рубеж, чем превосходство, преимущество или полезность. Группа может сообщить о прогрессе в коррекции ошибок, не заявляя о преимуществе, и может сообщить об эксперименте в духе превосходства, не имея логического кубита.

Смешение этих уровней — «мы показали превосходство, значит, полезные алгоритмы уже здесь» — самый распространённый скачок в популярных материалах. Сами экспериментальные статьи его делают редко.

Тест для чтения любого из трёх утверждений

Какое бы слово ни выбрало объявление, вопросы одни и те же:

• Задача. Какие входные данные, какой результат и почему этот результат трудно получить классически?
• Квантовое устройство. Сколько кубитов, какая модальность, какая глубина схемы, какие методы подавления или коррекции ошибок использовались?
• Классический эталон. Какой алгоритм, какая машина, сколько времени и памяти, и кто выбрал реализацию — квантовая команда или независимая классическая группа?
• Проверка. Откуда известно, что квантовый результат верен, если задача слишком велика для точной симуляции?
• Срок жизни утверждения. Сократил ли уже разрыв более поздний классический метод? Утверждения о превосходстве и преимуществе могут сужаться, даже если в исходном эксперименте нет ошибки.
• Полезность. Это задача, которую пользователь вне эксперимента хотел решить, или бенчмарк, созданный для сравнения?

Если ответы есть в статье или технической записи в блоге, слово в заголовке значит меньше. Если их нет, слово в заголовке их не заменит.

Как DesignQuantum^™ использует эти термины

В новостях мы предпочитаем повторять сравнение, которое действительно сделала объявившая группа, её собственными словами с указанием авторства, и давать ссылку на статью или запись. Мы используем «превосходство», «преимущество» или «полезность» от своего имени, только когда ясно, какое сравнение имеется в виду. Если пресс-релиз употребляет одно из этих слов без сравнения, мы считаем это утверждением говорящего, а не результатом, который мы независимо оценили.

Словарь будет продолжать меняться. Не должно меняться требование, чтобы вычислительное утверждение называло свою задачу и свой эталон.