Αντιπρόεδρος της IBM Quantum Τζέι Γκαμπέττα συνομιλεί με τον Philip Ball για τις πολλές κβαντικές προόδους της εταιρείας τα τελευταία 20 χρόνια, καθώς και για τον πενταετή οδικό χάρτη που ανακοινώθηκε πρόσφατα για το «κβαντικό πλεονέκτημα»
Εταιρείες και ερευνητικά εργαστήρια σε όλο τον κόσμο εργάζονται για να πάρουν τις εκκολαπτόμενες κβαντικές τεχνολογίες τους έξω από το εργαστήριο και στον πραγματικό κόσμο, με τον αμερικανικό τεχνολογικό γίγαντα IBM να είναι βασικός παίκτης. Τον Μάιο του τρέχοντος έτους, Η IBM Quantum αποκάλυψε τον τελευταίο της οδικό χάρτη για το μέλλον των κβαντικών υπολογιστών την επόμενη δεκαετία και η εταιρεία έχει θέσει ορισμένους φιλόδοξους στόχους. Έχοντας ανακοινώσει το Επεξεργαστής Eagle με 127 κβαντικά bit (qubits) πέρυσι, η εταιρεία είναι τώρα αναπτύσσει τον επεξεργαστή Osprey 433-qubit για ένα ντεμπούτο αργότερα φέτος, που θα ακολουθήσει το 2023 ο Condor 1121 qubit.
Αλλά πέρα από αυτό, λέει η εταιρεία, το παιχνίδι θα στραφεί στη συναρμολόγηση τέτοιων επεξεργαστών σε αρθρωτά κυκλώματα, στα οποία τα τσιπ συνδέονται μεταξύ τους μέσω πιο αραιών κβαντικών ή κλασσικών διασυνδέσεων. Αυτή η προσπάθεια θα κορυφωθεί σε αυτό που αναφέρουν ως συσκευή Kookaburra 4158 qubit το 2025. Από εκεί και πέρα, η IBM προβλέπει αρθρωτή επεξεργαστές με 100,000 ή περισσότερα qubits, ικανοί να υπολογίζουν χωρίς τα σφάλματα που καθιστούν επί του παρόντος τον κβαντικό υπολογισμό θέμα εύρεσης λύσεων για το θόρυβο των qubits. Με αυτήν την προσέγγιση, η ομάδα κβαντικών υπολογιστών της εταιρείας είναι πεπεισμένη ότι μπορεί να επιτύχει ένα γενικό «κβαντικό πλεονέκτημα», όπου οι κβαντικοί υπολογιστές θα ξεπερνούν σταθερά τους κλασσικούς υπολογιστές και θα διεξάγουν σύνθετους υπολογισμούς πέρα από τα μέσα των κλασικών συσκευών.
Ενώ βρισκόταν στο Λονδίνο στο δρόμο του προς το 28th Διάσκεψη Solvay στις Βρυξέλλες, που αντιμετώπισε τις κβαντικές πληροφορίες, Κόσμος Φυσικής συνεννοήθηκε με τον φυσικό Τζέι Γκαμπέττα, αντιπρόεδρος της IBM Quantum. Έχοντας πρωτοστατήσει σε πολλές από τις προόδους της εταιρείας τις τελευταίες δύο δεκαετίες, η Gambetta εξήγησε πώς θα μπορούσαν να επιτευχθούν αυτοί οι στόχοι και τι θα συνεπάγονται για το μέλλον των κβαντικών υπολογιστών.
Ποια είναι η τρέχουσα κατάσταση της τέχνης στην IBM Quantum; Ποιες είναι μερικές από τις βασικές παραμέτρους στις οποίες εστιάζετε;
Ο οδικός χάρτης της IBM αφορά την κλιμάκωση – όχι μόνο τον αριθμό των qubits αλλά την ταχύτητα, την ποιότητα και την αρχιτεκτονική κυκλωμάτων τους. Τώρα έχουμε χρόνους συνοχής [τη διάρκεια κατά την οποία τα qubits παραμένουν συνεκτικά και ικανά να εκτελούν κβαντικό υπολογισμό] 300 μικροδευτερόλεπτων στον επεξεργαστή Eagle [σε σύγκριση με περίπου 1 μs το 2010] και η επόμενη γενιά συσκευών θα φτάσει τα 300 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Και τα qubits μας [κατασκευασμένα από υπεραγώγιμα μέταλλα] έχουν πλέον σχεδόν 99.9% πιστότητα [έχουν μόνο ένα σφάλμα κάθε 1000 λειτουργίες – ποσοστό σφάλματος 10-3]. Νομίζω ότι το 99.99% δεν θα ήταν αδύνατο μέχρι το τέλος του επόμενου έτους.
Το απόλυτο τεστ για την ωριμότητα των κβαντικών υπολογιστών, λοιπόν, είναι αν ο κβαντικός χρόνος εκτέλεσης μπορεί να είναι ανταγωνιστικός με τον κλασικό χρόνο εκτέλεσης
Αλλά το να κάνεις πράγματα με έξυπνο τρόπο θα γίνει πιο σημαντικό από το να πιέζεις απλώς τις ακατέργαστες μετρήσεις. Η αρχιτεκτονική του επεξεργαστή γίνεται όλο και πιο σημαντική. Δεν νομίζω ότι θα ξεπεράσουμε πολύ τα 1000 qubits ανά τσιπ [όπως στο Condor], οπότε τώρα εξετάζουμε το modularity. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να φτάσουμε σε επεξεργαστές 10,000 qubits μέχρι το τέλος αυτής της δεκαετίας. Θα χρησιμοποιήσουμε τόσο την κλασική επικοινωνία (για τον έλεγχο των ηλεκτρονικών) μεταξύ των τσιπ, όσο και τα κβαντικά κανάλια που δημιουργούν κάποια εμπλοκή (για την εκτέλεση υπολογισμών). Αυτά τα κανάλια μεταξύ τσιπ θα είναι αργά – ίσως 100 φορές πιο αργά από τα ίδια τα κυκλώματα. Και οι πιστότητες των καναλιών δύσκολα θα ξεπεράσουν το 95%.
Για υπολογιστές υψηλής απόδοσης, αυτό που πραγματικά έχει σημασία είναι η ελαχιστοποίηση του χρόνου εκτέλεσης – δηλαδή η ελαχιστοποίηση του χρόνου που απαιτείται για τη δημιουργία μιας λύσης για ένα πρόβλημα που σας ενδιαφέρει. Το απόλυτο τεστ λυχνίας για την ωριμότητα των κβαντικών υπολογιστών είναι αν ο κβαντικός χρόνος εκτέλεσης μπορεί να είναι ανταγωνιστικός με τον κλασικό χρόνο εκτέλεσης. Αρχίσαμε να δείχνουμε θεωρητικά ότι εάν έχετε ένα μεγάλο κύκλωμα που θέλετε να τρέξετε και το χωρίζετε σε μικρότερα κυκλώματα, τότε κάθε φορά που κάνετε μια περικοπή, μπορείτε να το θεωρήσετε ως κλασικό κόστος, το οποίο αυξάνει τον χρόνο εκτέλεσης εκθετικά. Ο στόχος λοιπόν είναι να διατηρήσουμε αυτή την εκθετική άνοδο όσο το δυνατόν πιο κοντά στο 1.
Για ένα δεδομένο κύκλωμα, ο χρόνος εκτέλεσης εξαρτάται εκθετικά από το α παράμετρο που ονομάζουμε γ̄ ανυψώθηκε στην εξουσία nd, Όπου n είναι ο αριθμός των qubits και d είναι το βάθος [ένα μέτρο της μεγαλύτερης διαδρομής μεταξύ της εισόδου και της εξόδου του κυκλώματος, ή ισοδύναμα ο αριθμός των χρονικών βημάτων που απαιτούνται για την εκτέλεση του κυκλώματος]. Έτσι, αν μπορούμε να πάρουμε γ̄ όσο το δυνατόν πιο κοντά στο 1, φτάνουμε σε ένα σημείο όπου υπάρχει πραγματικό κβαντικό πλεονέκτημα: καμία εκθετική αύξηση στο χρόνο εκτέλεσης. Μπορούμε να μειώσουμε το γ̄ μέσω βελτιώσεων στη συνοχή και την πιστότητα πύλης [εσωτερικό ποσοστό σφάλματος]. Τελικά θα φτάσουμε σε ένα οριακό σημείο όπου, ακόμη και με την εκθετική επιβάρυνση του μετριασμού σφαλμάτων, μπορούμε να αποκομίσουμε οφέλη χρόνου εκτέλεσης σε σχέση με τους κλασικούς υπολογιστές. Εάν μπορείτε να μειώσετε το γ̄ στο 1.001, ο χρόνος εκτέλεσης είναι ταχύτερος από ό,τι αν προσομοιάζατε αυτά τα κυκλώματα κλασικά. Είμαι βέβαιος ότι μπορούμε να το κάνουμε αυτό – με βελτιώσεις στην πιστότητα πύλης και κατασταλμένη συνομιλία μεταξύ qubits, έχουμε ήδη μετρήσει γ̄ 1.008 στο τσιπ Falcon r10 [27-qubit].
Πώς μπορείτε να κάνετε αυτές τις βελτιώσεις για τον μετριασμό σφαλμάτων;
Για να βελτιώσουμε την πιστότητα, ακολουθήσαμε μια προσέγγιση που ονομάζεται πιθανοτική ακύρωση σφαλμάτων [arXiv:2201.09866]. Η ιδέα είναι να μου στείλετε φόρτους εργασίας και θα σας στείλω επεξεργασμένα αποτελέσματα με εκτιμήσεις χωρίς θόρυβο. Λέτε ότι θέλω να τρέξετε αυτό το κύκλωμα. Χαρακτηρίζω όλο το θόρυβο που έχω στο σύστημά μου και κάνω πολλές εκτελέσεις και στη συνέχεια επεξεργάζομαι όλα αυτά τα αποτελέσματα μαζί για να σας δώσω μια εκτίμηση χωρίς θόρυβο της εξόδου του κυκλώματος. Με αυτόν τον τρόπο, αρχίζουμε να δείχνουμε ότι είναι πιθανό να υπάρχει μια συνέχεια από εδώ που βρισκόμαστε σήμερα με την καταστολή σφαλμάτων και τον μετριασμό σφαλμάτων έως την πλήρη διόρθωση σφαλμάτων.
Μπορείτε, λοιπόν, να φτάσετε εκεί χωρίς να δημιουργήσετε λογικά qubits με πλήρη διόρθωση σφαλμάτων;
Τι είναι πραγματικά ένα λογικό qubit; Τι εννοούν πραγματικά οι άνθρωποι με αυτό; Αυτό που πραγματικά έχει σημασία είναι: μπορείτε να εκτελέσετε λογικά κυκλώματα και πώς τα εκτελείτε με τρόπο ώστε ο χρόνος εκτέλεσης να γίνεται πάντα ταχύτερος; Αντί να σκεφτόμαστε τη δημιουργία λογικών qubits, σκεφτόμαστε πώς εκτελούμε κυκλώματα και δίνουμε στους χρήστες εκτιμήσεις της απάντησης και, στη συνέχεια, την ποσοτικοποιούμε με βάση το χρόνο εκτέλεσης.
Όταν κάνετε κανονική διόρθωση σφαλμάτων, διορθώνετε αυτό που πιστεύατε ότι η απάντηση θα ήταν μέχρι εκείνο το σημείο. Ενημερώνετε ένα πλαίσιο αναφοράς. Αλλά θα επιτύχουμε τη διόρθωση σφαλμάτων μέσω του μετριασμού σφαλμάτων. Με γ̄ ίσο με 1, θα έχω ουσιαστικά διόρθωση σφαλμάτων, επειδή δεν υπάρχει επιβάρυνση για τη βελτίωση των εκτιμήσεων όσο θέλετε.
Με αυτόν τον τρόπο, θα έχουμε ουσιαστικά λογικά qubit, αλλά θα εισάγονται συνεχώς. Άρα αρχίζουμε να το σκεφτόμαστε σε υψηλότερο επίπεδο. Η άποψή μας είναι να δημιουργήσουμε, από την οπτική γωνία του χρήστη, ένα συνεχές που γίνεται όλο και πιο γρήγορο. Το απόλυτο τεστ για την ωριμότητα των κβαντικών υπολογιστών, λοιπόν, είναι αν ο κβαντικός χρόνος εκτέλεσης μπορεί να είναι ανταγωνιστικός με τον κλασικό χρόνο εκτέλεσης.
Αυτό είναι πολύ διαφορετικό από αυτό που κάνουν άλλες κβαντικές εταιρείες, αλλά θα εκπλαγώ πολύ αν αυτό δεν γίνει η γενική άποψη – στοιχηματίζω ότι θα αρχίσετε να βλέπετε ανθρώπους να συγκρίνουν χρόνους εκτέλεσης, όχι ποσοστά διόρθωσης σφαλμάτων.
Αυτό που κάνουμε είναι απλώς υπολογιστές γενικά, και του δίνουμε ώθηση μέσω ενός κβαντικού επεξεργαστή
Εάν κατασκευάζετε αρθρωτές συσκευές με κλασικές συνδέσεις, αυτό σημαίνει ότι το μέλλον δεν είναι πραγματικά κβαντικό έναντι κλασικού, αλλά κβαντικό και κλασσικός?
Ναί. Η συνένωση του κλασικού και του κβαντικού θα σας επιτρέψει να κάνετε περισσότερα. Αυτό είναι που ονομάζω κβαντικό πλεόνασμα: να κάνουμε κλασικούς υπολογιστές με έξυπνο τρόπο χρησιμοποιώντας κβαντικούς πόρους.
Αν μπορούσα να κουνήσω ένα μαγικό ραβδί, δεν θα το ονόμαζα κβαντικό υπολογισμό. Θα επέστρεφα και θα έλεγα ότι πραγματικά αυτό που κάνουμε είναι απλά υπολογιστές γενικά, και του δίνουμε ώθηση μέσω ενός κβαντικού επεξεργαστή. Έχω χρησιμοποιήσει τη φράση «κβαντοκεντρικός υπερυπολογιστής». Έχει να κάνει πραγματικά με την ενίσχυση της πληροφορικής προσθέτοντας κβαντικό σε αυτό. Πιστεύω πραγματικά ότι αυτή θα είναι η αρχιτεκτονική.
Ποια είναι τα τεχνικά εμπόδια; Πειράζει που αυτές οι συσκευές χρειάζονται κρυογονική ψύξη, ας πούμε;
Αυτό δεν είναι πραγματικά μεγάλο θέμα. Το μεγαλύτερο πρόβλημα είναι ότι αν συνεχίσουμε στον οδικό μας χάρτη, ανησυχώ για την τιμή των ηλεκτρονικών και όλα τα πράγματα που την περιβάλλουν. Για να μειώσουμε αυτό το κόστος, πρέπει να αναπτύξουμε ένα οικοσύστημα. και εμείς ως κοινότητα ακόμα δεν κάνουμε αρκετά για να δημιουργήσουμε αυτό το περιβάλλον. Δεν βλέπω πολλούς ανθρώπους να εστιάζουν μόνο στα ηλεκτρονικά, αλλά νομίζω ότι θα συμβεί.
Έχει ολοκληρωθεί τώρα όλη η επιστήμη, ώστε να είναι πλέον περισσότερο θέμα μηχανικής;
Θα υπάρχει πάντα η επιστήμη να κάνει, ειδικά καθώς χαράζετε αυτό το μονοπάτι από τον μετριασμό σφαλμάτων στη διόρθωση σφαλμάτων. Τι είδους συνδεσιμότητα θέλετε να ενσωματώσετε στο τσιπ; Ποιες είναι οι συνδέσεις; Όλα αυτά είναι θεμελιώδης επιστήμη. Νομίζω ότι μπορούμε ακόμα να ωθήσουμε τα ποσοστά σφαλμάτων στο 10-5. Προσωπικά, δεν μου αρέσει να χαρακτηρίζω τα πράγματα «επιστήμη» ή «τεχνολογία». χτίζουμε μια καινοτομία. Νομίζω ότι υπάρχει σίγουρα μια μετάβαση στο να γίνουν εργαλεία αυτές οι συσκευές και το ερώτημα είναι πώς χρησιμοποιούμε αυτά τα πράγματα για την επιστήμη, παρά για την επιστήμη της δημιουργίας του εργαλείου.
Ανησυχείτε ότι μπορεί να υπάρχει μια κβαντική φούσκα;
Όχι. Νομίζω ότι το κβαντικό πλεονέκτημα μπορεί να χωριστεί σε δύο πράγματα. Πρώτον, πώς πραγματικά εκτελείτε κυκλώματα πιο γρήγορα σε κβαντικό υλικό; Είμαι σίγουρος ότι μπορώ να κάνω προβλέψεις για αυτό. Και δεύτερον, πώς πραγματικά χρησιμοποιείτε αυτά τα κυκλώματα και τα συνδέετε με εφαρμογές; Γιατί μια κβαντική μέθοδος λειτουργεί καλύτερα από μια απλή κλασική μέθοδο από μόνη της; Αυτά είναι πολύ σκληρά επιστημονικά ερωτήματα. Και είναι ερωτήματα για τα οποία ενδιαφέρονται όλοι οι φυσικοί υψηλής ενέργειας, οι επιστήμονες υλικών και οι κβαντοχημικοί. Νομίζω ότι σίγουρα θα υπάρξει ζήτηση – το βλέπουμε ήδη. Βλέπουμε κάποιες επιχειρηματικές επιχειρήσεις να ενδιαφέρονται επίσης, αλλά θα χρειαστεί λίγος χρόνος για να βρεθούν πραγματικές λύσεις, αντί να είναι το κβαντικό εργαλείο για την επιστήμη.
Θεωρώ ότι αυτό είναι μια ομαλή μετάβαση. Ένας μεγάλος δυνητικός τομέας εφαρμογής είναι προβλήματα που έχουν δεδομένα με κάποιο τύπο δομής, ειδικά δεδομένα για τα οποία είναι πολύ δύσκολο να βρεθούν οι συσχετίσεις κλασικά. Τα οικονομικά και η ιατρική αντιμετωπίζουν τόσο προβλήματα όπως αυτό, και οι κβαντικές μέθοδοι όπως η κβαντική μηχανική μάθηση είναι πολύ καλές στην εύρεση συσχετισμών. Θα είναι μακρύς ο δρόμος, αλλά αξίζει την επένδυση για να το κάνουν.
Τι γίνεται με τη διατήρηση του υπολογισμού ασφαλή έναντι, ας πούμε, επιθέσεων όπως ο αλγόριθμος παραγοντοποίησης του Shor, ο οποίος αξιοποιεί κβαντικές μεθόδους για να σπάσει τις τρέχουσες κρυπτογραφικές μεθόδους δημόσιου κλειδιού, με βάση την παραγοντοποίηση;
Όλοι θέλουν να είναι ασφαλείς έναντι του αλγόριθμου του Shor – τώρα ονομάζεται «κβαντικά ασφαλής». Έχουμε πολλή θεμελιώδη έρευνα για τους αλγόριθμους, αλλά το πώς να το δημιουργήσουμε θα γίνει ένα σημαντικό ερώτημα. Διερευνούμε την ενσωμάτωση αυτού στα προϊόντα μας συνεχώς, και όχι ως πρόσθετο. Και πρέπει να ρωτήσουμε πώς διασφαλίζουμε ότι έχουμε την κλασική υποδομή που είναι ασφαλής για κβαντική. Ο τρόπος με τον οποίο θα εξελιχθεί αυτό το μέλλον θα είναι πολύ σημαντικός τα επόμενα χρόνια – πώς θα δημιουργήσετε ένα ασφαλές για κβαντικό υλικό από την αρχή.
Ο ορισμός μου για την επιτυχία είναι όταν οι περισσότεροι χρήστες δεν γνωρίζουν καν ότι χρησιμοποιούν κβαντικό υπολογιστή
Έχετε εκπλαγεί με την ταχύτητα με την οποία έφτασε ο κβαντικός υπολογισμός;
Για κάποιον που είναι τόσο βαθιά όσο εγώ από το 2000, έχει ακολουθήσει εντυπωσιακά κοντά στο μονοπάτι που είχε προβλεφθεί. Θυμάμαι ότι επέστρεψα σε έναν εσωτερικό χάρτη πορείας της IBM από το 2011 και ήταν αρκετά κατάλληλος. Τότε νόμιζα ότι έφτιαχνα πράγματα! Γενικά, αισθάνομαι ότι οι άνθρωποι υπερεκτιμούν πόσο καιρό θα πάρει. Καθώς προχωράμε όλο και περισσότερο και οι άνθρωποι φέρνουν ιδέες κβαντικών πληροφοριών σε αυτές τις συσκευές, τα επόμενα χρόνια θα μπορούμε να τρέχουμε μεγαλύτερα κυκλώματα. Στη συνέχεια, θα αφορά τους τύπους αρχιτεκτονικής που πρέπει να δημιουργήσετε, πόσο μεγάλα είναι τα clusters, ποιους τύπους καναλιών επικοινωνίας χρησιμοποιείτε και ούτω καθεξής. Αυτές οι ερωτήσεις θα οδηγηθούν από το είδος των κυκλωμάτων που εκτελείτε: πώς ξεκινάμε να κατασκευάζουμε μηχανές για συγκεκριμένους τύπους κυκλωμάτων; Θα υπάρξει εξειδίκευση κυκλωμάτων.
Πώς θα μοιάζει το 2030 για τους κβαντικούς υπολογιστές;
Ο ορισμός μου για την επιτυχία είναι όταν οι περισσότεροι χρήστες δεν γνωρίζουν καν ότι χρησιμοποιούν έναν κβαντικό υπολογιστή, επειδή είναι ενσωματωμένος σε μια αρχιτεκτονική που λειτουργεί άψογα με την κλασική υπολογιστική. Το μέτρο της επιτυχίας θα ήταν τότε ότι είναι αόρατο στους περισσότερους ανθρώπους που το χρησιμοποιούν, αλλά βελτιώνει τη ζωή τους με κάποιο τρόπο. Ίσως το κινητό σας τηλέφωνο να χρησιμοποιεί μια εφαρμογή που κάνει τις εκτιμήσεις της χρησιμοποιώντας έναν κβαντικό υπολογιστή. Το 2030 δεν θα είμαστε σε αυτό το επίπεδο, αλλά πιστεύω ότι θα έχουμε πολύ μεγάλα μηχανήματα μέχρι τότε και θα είναι πολύ πέρα από αυτό που μπορούμε να κάνουμε κλασικά.
