Квантова перевага, квантова зверхність і квантова корисність: що означають ці слова

У матеріалах про квантові обчислення постійно трапляються три вирази: квантова зверхність (quantum supremacy), квантова перевага (quantum advantage) і квантова корисність (quantum utility). Іноді їх вважають синонімами, іноді — щаблями драбини поступу. Вони ні те ні інше. Вони походять із різних статей і доповідей, описують різні порівняння, і кожен можна вживати ретельно або недбало.

Цей посібник пояснює, звідки взялися ці слова, що має уточнювати відповідальне твердження і як читати їх поряд із базовішими поняттями кубітів і корекції помилок. Він доповнює наш чеклист про те, як читати оголошення про квантові обчислення.

Квантова зверхність

Джон Прескілл запровадив термін «quantum supremacy» 2012 року в оглядовій доповіді, згодом опублікованій як «Quantum computing and the entanglement frontier». Він ужив його для позначення очікуваного моменту, коли добре контрольована квантова система зможе виконати завдання, що виходить за межі можливостей звичайних цифрових комп’ютерів. У тій доповіді переконлива демонстрація зверхності не мусила розв’язувати корисну промислову задачу. Це могло бути штучне завдання, обране тому, що його важко моделювати класично і можна виконати на обладнанні найближчого майбутнього.

Саме це значення — квантовий пристрій робить щось, що напружує або перевищує можливості правдоподібної класичної симуляції, не обов’язково те, за що хтось заплатив би, — закріпилося в науковій літературі.

Найвідоміше твердження з’явилося в жовтні 2019 року, коли Google і партнери опублікували в Nature статтю «Quantum supremacy using a programmable superconducting processor». Вони описали експеримент із випадковою вибіркою зі схем на 53-кубітному процесорі Sycamore і оцінили, що завдання, на яке їхньому квантовому пристрою знадобилося близько 200 секунд, забрало б у передового суперкомп’ютера близько 10 000 років. Ці числа — оцінки авторів, а не універсальна константа природи: вони залежать від того, як моделювати класичну симуляцію.

Дослідники IBM відповіли публічно, зокрема в дописі в блозі під назвою «On “quantum supremacy”», стверджуючи, що ретельніша класична симуляція — особливо та, що краще використовує зовнішню пам’ять, — могла б виконати те саме завдання вибірки за кілька днів, а не тисячоліть. Суперечка точилася не про те, чи виконав Sycamore складну схему. Вона стосувалася того, що означає «поза межами можливостей класичних комп’ютерів», якщо класичний алгоритм і модель машини задати щедріше.

Цей обмін думками — зразок для читання будь-якого пізнішого твердження в дусі зверхності: назвіть завдання, назвіть квантовий пристрій, назвіть класичний еталон і очікуйте, що цей еталон зсунеться з удосконаленням класичних алгоритмів.

Квантова перевага

«Quantum advantage» вживають у двох значеннях, що перетинаються, і саме тому з ним виникають проблеми.

В одному значенні це м’якший термін для зверхності: квантовий комп’ютер краще за класичний справляється з чітко визначеним завданням. Деякі дослідники віддають перевагу «advantage», бо англійське «supremacy» має політичні конотації, не пов’язані з фізикою. Якщо стаття каже, що уникає слова supremacy з цієї причини, вона зазвичай усе одно говорить про обчислювальне порівняння, а не про продукт, який загалом кращий за класичні комп’ютери.

В іншому значенні «advantage» резервують для прискорення (або покращення за вартістю чи енергоспоживанням) у задачі, яка вже комусь важлива, — у хімії, матеріалознавстві, оптимізації, криптографії, — а не в завданні вибірки, вигаданому для порівняння. За такого суворішого вжитку експеримент із випадковою вибіркою зі схем може бути зверхністю, не будучи перевагою.

Неможливо зрозуміти, яке значення мається на увазі, якщо оголошення не каже, що з чим порівнювали. Заголовок, де сказано лише «досягнуто квантової переваги», неповний.

Квантова корисність

«Utility» широко поширилося після статті в Nature 2023 року Йонсока Кіма, Ендрю Еддінса, Абгінава Кандали та колег з IBM і академічних партнерів: «Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance». В експерименті запускали схеми на зашумленому 127-кубітному надпровідному процесорі, зокрема схеми з кількістю шарів двокубітних вентилів до 60 (2880 вентилів CNOT у найбільших виділених випадках). Автори стверджували, що можуть вимірювати точні очікувані значення в масштабі, що виходить за межі класичних обчислень методом повного перебору, і що їхні результати залишалися надійними в сильно заплутаному режимі, де деякі провідні наближені класичні методи, зокрема певні підходи на тензорних мережах, давали збій.

Із самої статті прямо випливають два застереження. По-перше, автори подають це як свідчення корисності в епоху до відмовостійкості — основу для дослідження методів найближчого майбутнього, — а не як твердження, що комерційний застосунок уже сьогодні перевершує будь-який класичний розв’язувач. По-друге, вони порівнюють із конкретними класичними методами (повним перебором там, де він ще застосовний, і названими наближеними методами там, де ні). Пізніші класичні алгоритми можуть скоротити або закрити цей розрив — так само, як роботи з класичної симуляції відповіли на частину порівняння зверхності 2019 року.

У вільнішій маркетинговій мові «utility» іноді розтягують до «клієнти отримують користь від нашої квантової системи». Це може бути розумним діловим твердженням. Але це не те саме твердження, що в статті 2023 року.

Як ці слова співвідносяться з NISQ і відмовостійкістю

Пізніший есей Прескілла про NISQ (2018) описував епоху пристроїв із десятками–сотнями зашумлених кубітів, достатньо цікавих для експериментів, які важко змоделювати, але ще не захищених повною відмовостійкою корекцією помилок. Експерименти з вибіркою в дусі зверхності природно належать до цієї епохи: вони перевіряють, чи може зашумлений пристрій випередити класичну симуляцію в спеціально підібраному завданні.

Корисні великомасштабні алгоритми, описані в підручниках, зазвичай передбачають відмовостійку машину, у якій логічні кубіти й логічні вентилі достатньо надійні для виконання глибоких схем. Це інший рубіж, ніж зверхність, перевага чи корисність. Група може повідомити про поступ у корекції помилок, не заявляючи про перевагу, і може повідомити про експеримент у дусі зверхності, не маючи логічного кубіта.

Змішування цих рівнів — «ми показали зверхність, отже корисні алгоритми вже тут» — найпоширеніший стрибок у популярних матеріалах. Самі експериментальні статті роблять його рідко.

Тест для читання будь-якого з трьох тверджень

Яке б слово не обрало оголошення, запитання ті самі:

• Завдання. Які вхідні дані, який результат і чому цей результат важко отримати класично?
• Квантовий пристрій. Скільки кубітів, яка модальність, яка глибина схеми, які методи пом’якшення чи корекції помилок використано?
• Класичний еталон. Який алгоритм, яка машина, скільки часу й пам’яті, і хто обрав реалізацію — квантова команда чи незалежна класична група?
• Перевірка. Звідки відомо, що квантовий результат правильний, якщо задача завелика для точної симуляції?
• Термін життя твердження. Чи вже скоротив розрив пізніший класичний метод? Твердження про зверхність і перевагу можуть звужуватися, навіть якщо в початковому експерименті немає помилки.
• Корисність. Це задача, яку користувач поза експериментом хотів розв’язати, чи бенчмарк, створений для порівняння?

Якщо відповіді є в статті чи технічному дописі в блозі, слово в заголовку важить менше. Якщо їх немає, слово в заголовку їх не замінить.

Як DesignQuantum^™ використовує ці терміни

У новинах ми воліємо повторювати порівняння, яке справді зробила група, що оголосила результат, її власними словами із зазначенням авторства, і давати посилання на статтю чи допис. Ми вживаємо «зверхність», «перевагу» чи «корисність» від власного імені лише тоді, коли зрозуміло, яке порівняння мається на увазі. Якщо пресреліз уживає одне з цих слів без порівняння, ми вважаємо це твердженням мовця, а не результатом, який ми незалежно оцінили.

Словник і далі змінюватиметься. Не повинна змінюватися вимога, щоб обчислювальне твердження називало своє завдання і свій еталон.