Čo Google vs. IBM debata o kvantovej nadradenosti

Každý má rád bitku medzi dvoma dôstojnými šampiónmi, kde obaja bojovníci vyjdú na vrchol.

To sa stalo za posledné dva týždne medzi Google a International Business Machines v boji o to, čo znamená pojem „kvantová nadradenosť“. Obe strany ukázali zaujímavý a hodnotný výskum.

V prípade Google ide o fyziku výroby špičkového zariadenia. V prípade IBM spoločnosť ukazuje, že „architektúra“, dizajn tradičného počítačového systému, má stále úžasný potenciál napredovať vo výpočtovej technike.

Aby som to zhrnul, Google minulý týždeň odhalený v Príroda časopis výsledky jeho supravodivého počítačového čipu „Sycamore“, ktorý dokázal zmerať výstup generátora náhodných čísel jeden milión krát za približne tri minúty v porovnaní s tým, čo by podľa odhadu Googlu trvalo 10 000 rokov, kým by sa to urobilo pomocou konvenčného elektronického alebo „klasického“ počítač. (Google tiež uverejnil článok na blogu popisujúci prácu.)

tiež: Google: S 54-qubitovým čipom Sycamore sme urobili prelom „kvantovej nadvlády“ 

Týždeň predtým, ako bola zverejnená správa spoločnosti Google, IBM vydala vlastnú správu, na základe uniknutej verzie výskumu Google, v ktorej sa uvádza, že Google nedosiahol kvantovú prevahu. IBM tvrdilo, že teoreticky by superpočítač využívajúci konvenčnú elektroniku mohol zvládnuť túto úlohu nie za 10 000 rokov, ale za dva a pol dňa.

Čo sa tu deje? Debata je o tom, čo to znamená, keď spustíte skutočný kvantový počítač, ako je Sycamore, a porovnáte ho so simuláciou tohto kvantového počítača v klasickom elektronickom počítači.

Kvantový simulačný softvér, ako napríklad Microsoft Program LIQUi|⟩, umožňuje tradičnému počítaču reprezentovať kvantový počítač v bežných obvodoch prekladom kvantovej mechaniky do matematických štruktúr, známych ako matice komplexných čísel (čísla, ktoré zahŕňajú skutočné aj imaginárne čísla).

tiež: Naozaj Google odomkol kvantovú nadvládu? Nie tak rýchlo, hovorí IBM

Pomocou simulácií je možné porovnať, ako dlho trvá skutočným kvantovým obvodom vytvoriť daný výpočet a ako dlho rovnaký výpočet vyžaduje klasický počítač na reprodukciu spustením maticovej matematiky, ktorá sa podobá funkciám kvanta obvod.

Google a IBM skúmajú takéto simulácie a majú rôzne názory na to, čo porovnanie znamená.

Google chce povedať, že Sycamore je zariadenie, ktoré vykonáva prácu, ktorú simulujú milióny konvenčných procesorov. Ako uvádzajú autori, keď na klasickom počítači simulovali aj zjednodušenú verziu generátora náhodných čísel, „trvá to jeden milión [konvenčných výpočtových] jadier 130 sekúnd, čo zodpovedá miliónnásobnému zrýchleniu kvantového procesora v porovnaní s jedným jadro." Google spustil svoje simulácie na superpočítači Jülich v nemeckom meste tohto mena a tiež na vlastnom cloud computingu spoločnosti Google klastre.

Google teda ukazuje lepšiu pascu na myši, zariadenie s fyzikou, ktorá je jednoducho lepšia ako silikónové obvody.

Na druhej strane IBM neuskutočnila žiadne skutočné simulácie. Namiesto toho spoločnosť prišla s modelom na papieri, teoretickým odhadom, ako dlho bude trvať simulácia Sycamore na superpočítači Summit v Oak Ridge National Laboratories. Inými slovami, IBM pripravilo myšlienkový experiment.

Názor IBM je taký, že namiesto toho, aby sa celá tá maticová matematika vykonávala v DRAM, matematika môže byť rozdelená na čiastkové úlohy a niektoré čiastkové úlohy môžu byť uložené na disku a len na ne počas výpočtu poukazovať. Je to podobné, ako keď sa počítačové systémy tradične museli „odstrániť“ na disk, keď sa zaplnila DRAM.

IBM tvrdí, že architektúru, spôsob, akým sa kombinujú zdroje počítača, ako sú čipy, pamäť a úložisko, sa dá robiť inteligentnejšie. na obídenie úzkych miest -- v tomto prípade nedostatok dostatočnej pamäte DRAM v každom výpočtovom uzle na prácu na medziproduktoch matice matematika.

IBM má celý zoznam techník, architektonických aj algoritmických, vrátane vecí ako napr "využívanie oddeliteľných brán prostredníctvom hyperedge reprezentácie tenzorovej siete." Kvantum je naplnené takými opojné veci.

Takže tu to máte: Dva pohľady, ktoré sú oba správne. Google zdôrazňuje príchod nového druhu zariadenia využívajúceho fyziku na prekročenie možností zariadenia kremíkových tranzistorov. IBM zdôrazňuje, že v každom okamihu je vždy múdre navrhnúť systém, aby ste čo najlepšie využili zdroje, ktoré máte, či už ide o výpočty, pamäť alebo komunikáciu.

Je to triumf vedy a inžinierstva, že dve impozantné organizácie ponúkajú úžasné návrhy, ktoré sa pravdepodobne v konečnom dôsledku dopĺňajú.

Ale čo tá otázka kvantovej nadradenosti?

Musíte dať výhodu Googlu. Bod kvantovej nadvlády alebo kvantovej výhody, ak dávate prednosť tomuto termínu, je rozdiel v praxi medzi tým, čo sa dá urobiť s kvantovým systémom a tým, čo sa dá urobiť s klasickým systémom.

To je oblasť teórie zložitosti. Vedec z UT Austin Scott Aaronson, ktorý bol jedným z externých recenzentov článkov Google, to vo svojom písaní pekne uviedol.

Ako napísal AaronsonFantastické inžinierstvo nerieši otázku kvanta oproti klasickému. „Presná zložitosť problému môže závisieť od ‚detailov kódovania nízkej úrovne‘,“ napísal, ale „kde problém pripadá na polynómiu/exponenciálnu dichotómiu, možno ukázať ako nezávislú od takmer všetkých takýchto voľby."

Hovorí, že môžete ísť do veľkých dĺžok, aby ste urobili klasický počítač lepším, ako to robí IBM, ale to nevyhnutne nezmaže podstatný rozdiel medzi týmto klasickým strojom a nadradeným systémom. (Aaronson pracuje na dokumente o potenciálnych krátkodobých aplikáciách kvantového generátora náhodných čísel Google, tvrdí Google. Aaronson tiež napísal dnes svoj názor v The New York Times oslavuje úspech Google.)

Autori Google naznačujú Aaronsonov bod na konci svojho článku a uvádzajú: „Očakávame, že nižšie náklady na simuláciu, ako sa uvádza tu sa nakoniec dosiahnu, ale tiež očakávame, že budú dôsledne predbehnuté hardvérovými vylepšeniami na väčších kvantách procesory."

V tomto svetle sa argument IBM za lepšiu architektúru, akokoľvek inteligentná, zdá byť trochu podobný tomu, ako sa niektorí ľudia v stredoveku snažili zachovať mýtus o Slnku, ktorý krúži okolo Zeme. Do svojich modelov slnečnej sústavy neustále pridávali elipsy, aby sa matematika zhodovala s tým, čo pozorovali na nočnej oblohe.

Všetko to bolo veľmi dômyselné, ale nakoniec to všetko zmietol nový pohľad podporený nevyvrátiteľným systémom vedy.