ความได้เปรียบ ความเหนือกว่า และอรรถประโยชน์เชิงควอนตัม: คำเหล่านี้หมายถึงอะไร

มีสามวลีที่ปรากฏซ้ำแล้วซ้ำเล่าในข่าวคอมพิวเตอร์ควอนตัม: ความเหนือกว่าเชิงควอนตัม (quantum supremacy) ความได้เปรียบเชิงควอนตัม (quantum advantage) และอรรถประโยชน์เชิงควอนตัม (quantum utility) บางครั้งถูกใช้เป็นคำพ้องความหมาย บางครั้งถูกมองเป็นขั้นบันไดของความก้าวหน้า แต่ไม่ใช่ทั้งสองอย่าง คำเหล่านี้มาจากบทความวิจัยและการบรรยายที่ต่างกัน ใช้การเปรียบเทียบที่ต่างกัน และทั้งหมดสามารถใช้อย่างรอบคอบหรืออย่างหละหลวมก็ได้

คู่มือนี้อธิบายว่าคำเหล่านี้มาจากไหน คำกล่าวอ้างที่รับผิดชอบต้องระบุอะไรบ้าง และควรอ่านคำเหล่านี้คู่กับแนวคิดพื้นฐานกว่าอย่างคิวบิตและการแก้ไขข้อผิดพลาดอย่างไร คู่มือนี้ใช้ร่วมกับรายการตรวจสอบของเราเรื่องวิธีอ่านข่าวประกาศด้านคอมพิวเตอร์ควอนตัม

ความเหนือกว่าเชิงควอนตัม

John Preskill นำเสนอคำว่า “quantum supremacy” ในการบรรยายสรุปในปี 2012 ซึ่งภายหลังเผยแพร่ในชื่อ “Quantum computing and the entanglement frontier” เขาใช้คำนี้กับช่วงเวลาที่คาดหวังว่าระบบควอนตัมที่ควบคุมได้ดีจะทำงานบางอย่างได้เกินกว่าที่คอมพิวเตอร์ดิจิทัลทั่วไปทำได้ ในการบรรยายนั้น การสาธิตความเหนือกว่าที่น่าเชื่อถือไม่จำเป็นต้องแก้ปัญหาทางอุตสาหกรรมที่มีประโยชน์ อาจเป็นงานที่สร้างขึ้นโดยเฉพาะ ซึ่งเลือกมาเพราะจำลองแบบคลาสสิกได้ยากและรันได้บนฮาร์ดแวร์ในอนาคตอันใกล้

ความหมายนั้น — อุปกรณ์ควอนตัมทำบางสิ่งที่ผลักขอบเขตหรือเกินกว่าการจำลองแบบคลาสสิกที่เป็นไปได้ ไม่จำเป็นต้องเป็นสิ่งที่ใครยอมจ่ายเงินเพื่อคำนวณ — คือความหมายที่ติดอยู่ในวรรณกรรมวิจัย

คำกล่าวอ้างที่เป็นที่รู้จักมากที่สุดเกิดขึ้นในเดือนตุลาคม 2019 เมื่อ Google และผู้ร่วมวิจัยตีพิมพ์ “Quantum supremacy using a programmable superconducting processor” ใน Nature พวกเขารายงานการทดลองสุ่มตัวอย่างวงจรแบบสุ่มบนโปรเซสเซอร์ Sycamore ขนาด 53 คิวบิต และประมาณว่างานที่อุปกรณ์ควอนตัมของพวกเขาใช้เวลาประมาณ 200 วินาที จะใช้เวลาประมาณ 10,000 ปีบนซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ล้ำสมัย ตัวเลขเหล่านี้เป็นการประมาณของผู้เขียน ไม่ใช่ค่าคงที่สากลของธรรมชาติ: ขึ้นอยู่กับวิธีสร้างแบบจำลองการจำลองแบบคลาสสิก

นักวิจัยของ IBM ตอบโต้ต่อสาธารณะ รวมถึงในบล็อกโพสต์ชื่อ “On ‘quantum supremacy’” โดยโต้แย้งว่าการจำลองแบบคลาสสิกที่รอบคอบกว่า — โดยเฉพาะที่ใช้หน่วยเก็บข้อมูลสำรองได้ดีขึ้น — สามารถทำงานสุ่มตัวอย่างเดียวกันเสร็จได้ในเวลาไม่กี่วันแทนที่จะเป็นหลายพันปี ข้อโต้แย้งไม่ได้อยู่ที่ว่า Sycamore รันวงจรที่ยากหรือไม่ แต่อยู่ที่ว่า “เกินเอื้อมของคอมพิวเตอร์คลาสสิก” หมายถึงอะไรเมื่อกำหนดอัลกอริทึมคลาสสิกและแบบจำลองเครื่องอย่างเอื้อเฟื้อมากขึ้น

การโต้ตอบครั้งนั้นคือแม่แบบสำหรับการอ่านคำกล่าวอ้างแนวความเหนือกว่าทุกครั้งที่ตามมา: ระบุงาน ระบุอุปกรณ์ควอนตัม ระบุเกณฑ์อ้างอิงฝั่งคลาสสิก และคาดไว้ว่าเกณฑ์อ้างอิงจะขยับเมื่ออัลกอริทึมคลาสสิกพัฒนาขึ้น

ความได้เปรียบเชิงควอนตัม

“ความได้เปรียบเชิงควอนตัม” ถูกใช้ในสองความหมายที่ทับซ้อนกัน ซึ่งเป็นเหตุให้เกิดปัญหา

ในความหมายแรก เป็นคำพ้องที่นุ่มนวลกว่าของความเหนือกว่า: คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำได้ดีกว่าคอมพิวเตอร์คลาสสิกในงานที่นิยามไว้ชัดเจน นักวิจัยบางคนชอบคำว่า “advantage” เพราะคำว่า “supremacy” ในภาษาอังกฤษมีนัยทางการเมืองที่ไม่เกี่ยวกับฟิสิกส์เลย เมื่อบทความวิจัยบอกว่าหลีกเลี่ยงคำว่า supremacy ด้วยเหตุผลนี้ มักยังหมายถึงการเปรียบเทียบเชิงคำนวณ ไม่ใช่ว่าผลิตภัณฑ์หนึ่งดีกว่าคอมพิวเตอร์คลาสสิกโดยทั่วไป

ในอีกความหมายหนึ่ง “advantage” สงวนไว้สำหรับการเร่งความเร็ว (หรือการปรับปรุงด้านต้นทุนหรือพลังงาน) ในปัญหาที่ผู้คนให้ความสำคัญอยู่แล้ว — เคมี วัสดุ การหาค่าเหมาะที่สุด วิทยาการเข้ารหัส — แทนที่จะเป็นงานสุ่มตัวอย่างที่สร้างขึ้นเพื่อการเปรียบเทียบ ภายใต้ความหมายที่เข้มงวดกว่านี้ การทดลองสุ่มตัวอย่างวงจรแบบสุ่มอาจเป็นความเหนือกว่าได้โดยไม่ใช่ความได้เปรียบ

คุณไม่สามารถบอกได้ว่าข่าวประกาศหมายถึงความหมายใด เว้นแต่จะระบุว่าเปรียบเทียบอะไรกับอะไร พาดหัวที่บอกเพียงว่า “บรรลุความได้เปรียบเชิงควอนตัมแล้ว” ยังไม่สมบูรณ์

อรรถประโยชน์เชิงควอนตัม

คำว่า “utility” เริ่มแพร่หลายหลังบทความใน Nature ปี 2023 โดย Youngseok Kim, Andrew Eddins, Abhinav Kandala และเพื่อนร่วมงานที่ IBM และพันธมิตรทางวิชาการ ชื่อ “Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance” การทดลองรันวงจรบนโปรเซสเซอร์ตัวนำยิ่งยวดขนาด 127 คิวบิตที่มีสัญญาณรบกวน รวมถึงวงจรที่มีเกตสองคิวบิตถึง 60 ชั้น (เกต CNOT 2,880 ตัวในกรณีที่ใหญ่ที่สุดที่พวกเขาเน้น) ผู้เขียนโต้แย้งว่าสามารถวัดค่าคาดหมายได้อย่างแม่นยำในระดับที่เกินกว่าการคำนวณคลาสสิกแบบถึกได้ และในสภาวะที่มีการพัวพันสูง ผลลัพธ์ของพวกเขายังน่าเชื่อถือในจุดที่วิธีประมาณค่าแบบคลาสสิกชั้นนำบางวิธี รวมถึงแนวทางเทนเซอร์เน็ตเวิร์กบางแบบ ใช้การไม่ได้

มีข้อควรระวังสองข้อที่มาจากตัวบทความโดยตรง ข้อแรก ผู้เขียนนำเสนอสิ่งนี้เป็นหลักฐานของอรรถประโยชน์ในยุคก่อนการทนทานต่อความผิดพลาด — เป็นรากฐานสำหรับสำรวจวิธีการในอนาคตอันใกล้ — ไม่ใช่คำกล่าวอ้างว่าแอปพลิเคชันเชิงพาณิชย์เอาชนะตัวแก้ปัญหาแบบคลาสสิกทุกตัวแล้ว ข้อที่สอง พวกเขาเปรียบเทียบกับเทคนิคคลาสสิกเฉพาะ (การจำลองแบบถึกในกรณีที่ยังใช้ได้ และวิธีประมาณค่าที่ระบุชื่อในกรณีที่ใช้ไม่ได้) อัลกอริทึมคลาสสิกในภายหลังอาจลดหรือปิดช่องว่างนั้นได้ เช่นเดียวกับที่งานจำลองแบบคลาสสิกได้ตอบโต้บางส่วนของการเปรียบเทียบความเหนือกว่าในปี 2019

ในภาษาการตลาดที่หละหลวมกว่า “utility” บางครั้งถูกขยายความให้หมายถึง “ลูกค้าได้รับคุณค่าจากระบบควอนตัมของเรา” ซึ่งอาจเป็นข้อความทางธุรกิจที่สมเหตุสมผล แต่ไม่ใช่ข้อความเดียวกับบทความปี 2023

คำเหล่านี้อยู่ตรงไหนเมื่อเทียบกับ NISQ และการทนทานต่อความผิดพลาด

บทความ NISQ ของ Preskill ในภายหลัง (2018) อธิบายยุคของอุปกรณ์ที่มีคิวบิตที่มีสัญญาณรบกวนหลายสิบถึงหลายร้อยตัว น่าสนใจพอที่จะรันการทดลองที่จำลองได้ยาก แต่ยังไม่ได้รับการปกป้องด้วยการแก้ไขข้อผิดพลาดแบบทนทานต่อความผิดพลาดเต็มรูปแบบ การทดลองสุ่มตัวอย่างแนวความเหนือกว่าอยู่ในยุคนั้นโดยธรรมชาติ: ถามว่าอุปกรณ์ที่มีสัญญาณรบกวนจะเอาชนะการจำลองแบบคลาสสิกในงานที่ออกแบบมาเฉพาะได้หรือไม่

อัลกอริทึมขนาดใหญ่ที่มีประโยชน์แบบที่กล่าวถึงในตำรา โดยทั่วไปตั้งสมมติฐานว่ามีเครื่องที่ทนทานต่อความผิดพลาด ซึ่งลอจิคัลคิวบิตและลอจิคัลเกตน่าเชื่อถือพอที่จะรันวงจรที่ลึกได้ นั่นเป็นหลักชัยที่ต่างจากความเหนือกว่า ความได้เปรียบ หรืออรรถประโยชน์ กลุ่มหนึ่งอาจรายงานความก้าวหน้าด้านการแก้ไขข้อผิดพลาดโดยไม่อ้างความได้เปรียบ และอาจรายงานการทดลองแนวความเหนือกว่าโดยไม่มีลอจิคัลคิวบิต

การผสมชั้นเหล่านี้เข้าด้วยกัน — “เราสาธิตความเหนือกว่าได้แล้ว ดังนั้นอัลกอริทึมที่มีประโยชน์จึงมาถึงแล้ว” — คือการก้าวกระโดดที่พบบ่อยที่สุดในบทความทั่วไป บทความวิจัยเชิงทดลองเองแทบไม่เคยก้าวกระโดดเช่นนั้น

แบบทดสอบการอ่านสำหรับคำกล่าวอ้างทั้งสามแบบ

ไม่ว่าข่าวประกาศจะเลือกใช้คำใด คำถามเดียวกันนี้ใช้ได้:

• งาน ให้ข้อมูลนำเข้าอะไร ได้ผลลัพธ์อะไร และทำไมผลลัพธ์นั้นจึงยากสำหรับระบบคลาสสิก
• อุปกรณ์ควอนตัม มีกี่คิวบิต ประเภทใด ความลึกของวงจรเท่าใด และใช้การบรรเทาหรือการแก้ไขข้อผิดพลาดแบบใด
• เกณฑ์อ้างอิงฝั่งคลาสสิก อัลกอริทึมใด เครื่องใด ใช้เวลาและหน่วยความจำเท่าใด และใครเป็นผู้เลือกการนำไปใช้ — ทีมควอนตัมหรือกลุ่มคลาสสิกที่เป็นอิสระ
• การตรวจสอบ เมื่อปัญหาใหญ่เกินกว่าจะจำลองแบบแม่นตรงได้ จะรู้ได้อย่างไรว่าผลลัพธ์ควอนตัมถูกต้อง
• ความมั่นคงของคำกล่าวอ้าง มีวิธีคลาสสิกในภายหลังที่ลดช่องว่างไปแล้วหรือไม่ คำกล่าวอ้างด้านความเหนือกว่าและความได้เปรียบอาจหดลงได้โดยที่การทดลองเดิมไม่มีข้อผิดพลาดใด ๆ
• ประโยชน์ งานนั้นเป็นสิ่งที่ผู้ใช้ภายนอกการทดลองต้องการให้แก้ หรือเป็นเกณฑ์มาตรฐานที่สร้างขึ้นเพื่อการเปรียบเทียบ

หากคำตอบเหล่านี้อยู่ในบทความวิจัยหรือบล็อกโพสต์เชิงเทคนิค คำในพาดหัวก็มีความสำคัญน้อยลง หากไม่มี คำในพาดหัวก็ไม่สามารถให้คำตอบเหล่านั้นแทนได้

DesignQuantum^™ ใช้คำเหล่านี้อย่างไร

ในข่าวของเรา เราเลือกที่จะกล่าวซ้ำการเปรียบเทียบที่กลุ่มผู้ประกาศทำจริง ด้วยถ้อยคำของพวกเขาเองพร้อมระบุที่มา แล้วลิงก์ไปยังบทความวิจัยหรือโพสต์ เราใช้คำว่า “ความเหนือกว่า” “ความได้เปรียบ” หรือ “อรรถประโยชน์” ด้วยน้ำเสียงของเราเองก็ต่อเมื่อชัดเจนว่าหมายถึงการเปรียบเทียบใด เมื่อข่าวประชาสัมพันธ์ใช้คำใดคำหนึ่งเหล่านี้โดยไม่มีการเปรียบเทียบ เราถือว่าเป็นคำกล่าวอ้างของผู้พูด ไม่ใช่ผลลัพธ์ที่เราประเมินอย่างเป็นอิสระ

คำศัพท์จะยังคงเปลี่ยนแปลงต่อไป สิ่งที่ไม่ควรเปลี่ยนคือข้อเรียกร้องว่าคำกล่าวอ้างเชิงคำนวณต้องระบุงานและเกณฑ์อ้างอิงของตน