Mengubah keunggulan kuantum: Jay Gambetta dari IBM dalam mengintegrasikan komputasi kuantum dan klasik dengan mulus

Perusahaan dan laboratorium penelitian di seluruh dunia sedang berupaya untuk membawa teknologi kuantum mereka yang baru lahir ke dunia nyata, dengan raksasa teknologi AS, IBM, sebagai pemain kuncinya. Pada bulan Mei tahun ini, IBM Quantum meluncurkan peta jalan terbarunya untuk masa depan komputasi kuantum dalam dekade mendatang, dan perusahaan telah menetapkan beberapa target ambisius. Setelah mengumumkannya Prosesor Eagle dengan 127 bit kuantum (qubit) tahun lalu, perusahaan itu sekarang mengembangkan prosesor Osprey 433-qubit untuk debut akhir tahun ini, yang akan diikuti pada tahun 2023 oleh Condor 1121-qubit.

Namun lebih dari itu, kata perusahaan, game ini akan beralih ke perakitan prosesor tersebut ke dalam sirkuit modular, di mana chip-chip tersebut dihubungkan bersama melalui interkoneksi kuantum atau klasik yang lebih jarang. Upaya tersebut akan mencapai puncaknya pada apa yang mereka sebut sebagai perangkat Kookaburra 4158-qubit pada tahun 2025. Setelah itu, IBM memperkirakan perangkat modular prosesor dengan 100,000 qubit atau lebih, mampu melakukan komputasi tanpa kesalahan yang saat ini menjadikan komputasi kuantum sebagai masalah mencari solusi untuk kebisingan qubit. Dengan pendekatan ini, tim komputasi kuantum perusahaan yakin bahwa mereka dapat mencapai “keunggulan kuantum” secara umum, di mana komputer kuantum akan secara konsisten mengungguli komputer klasik dan melakukan komputasi kompleks di luar kemampuan perangkat klasik.

Saat dia berada di London dalam perjalanan ke 28th Konferensi Solvay di Brussel, yang menangani informasi kuantum, Dunia Fisika terjebak dengan fisikawan Jay Gambetta, wakil presiden IBM Quantum. Setelah mempelopori sebagian besar kemajuan perusahaan selama dua dekade terakhir, Gambetta menjelaskan bagaimana tujuan-tujuan ini dapat dicapai dan apa dampaknya bagi masa depan komputasi kuantum.

Bagaimana perkembangan terkini di IBM Quantum? Apa saja parameter utama yang Anda fokuskan?

Peta jalan IBM adalah tentang peningkatan – bukan hanya jumlah qubit tetapi juga kecepatan, kualitas, dan arsitektur sirkuitnya. Kita sekarang memiliki waktu koherensi [durasi di mana qubit tetap koheren dan mampu melakukan komputasi kuantum] sebesar 300 mikrodetik dalam prosesor Eagle [dibandingkan dengan sekitar 1 μs pada tahun 2010], dan perangkat generasi berikutnya akan mencapai 300 milidetik. Dan qubit kami [terbuat dari logam superkonduktor] sekarang memiliki fidelitas hampir 99.9% [hanya menimbulkan satu kesalahan setiap 1000 operasi – tingkat kesalahan 10^-3]. Saya pikir 99.99% tidak akan mustahil pada akhir tahun depan.

Maka, ujian utama bagi kematangan komputer kuantum adalah apakah waktu proses kuantum dapat bersaing dengan waktu proses klasik

Namun melakukan sesuatu dengan cerdas akan menjadi lebih penting daripada sekadar memaksakan metrik mentah. Arsitektur prosesor menjadi semakin penting. Saya rasa kita tidak akan bisa melampaui 1000 qubit per chip [seperti pada Condor], jadi sekarang kita sedang melihat modularitas. Dengan cara ini, kita dapat mencapai prosesor sebesar 10,000 qubit pada akhir dekade ini. Kita akan menggunakan komunikasi klasik (untuk mengontrol elektronik) antar chip, dan saluran kuantum yang menciptakan keterikatan (untuk melakukan komputasi). Saluran antar chip ini akan menjadi lambat – mungkin 100 kali lebih lambat dibandingkan sirkuit itu sendiri. Dan kesetiaan saluran akan sulit untuk didorong di atas 95%.

Untuk komputasi berkinerja tinggi, hal yang paling penting adalah meminimalkan waktu proses – yaitu, meminimalkan waktu yang diperlukan untuk menghasilkan solusi untuk suatu masalah yang diinginkan. Ujian utama bagi kematangan komputer kuantum adalah apakah waktu proses kuantum dapat bersaing dengan waktu proses klasik. Kami telah mulai menunjukkan secara teoritis bahwa jika Anda memiliki sirkuit besar yang ingin Anda jalankan, dan Anda membaginya menjadi sirkuit yang lebih kecil, maka setiap kali Anda melakukan pemotongan, Anda dapat menganggapnya menimbulkan biaya klasik, yang meningkatkan waktu proses. secara eksponensial. Jadi tujuannya adalah menjaga kenaikan eksponensial sedekat mungkin dengan 1.

Untuk suatu rangkaian tertentu, waktu proses bergantung secara eksponensial pada a parameter yang kita sebut γ̄ diangkat ke kekuasaan nd, Di mana n adalah jumlah qubit dan d adalah kedalaman [ukuran jalur terpanjang antara masukan dan keluaran rangkaian, atau setara dengan jumlah langkah waktu yang diperlukan agar rangkaian dapat berjalan]. Jadi jika kita bisa mendapatkan b γ̄ sedekat mungkin dengan 1, kita sampai pada titik di mana terdapat keuntungan kuantum yang nyata: tidak ada pertumbuhan eksponensial dalam waktu proses. Kita dapat mengurangi γ̄ melalui peningkatan koherensi dan fidelitas gerbang [tingkat kesalahan intrinsik]. Pada akhirnya kita akan mencapai titik kritis di mana, bahkan dengan overhead mitigasi kesalahan yang eksponensial, kita dapat memperoleh manfaat runtime dibandingkan komputer klasik. Jika Anda dapat menurunkan γ̄ menjadi 1.001, waktu proses akan lebih cepat dibandingkan jika Anda mensimulasikan sirkuit tersebut secara klasik. Saya yakin kami dapat melakukan hal ini – dengan peningkatan pada ketelitian gerbang dan penekanan crosstalk antar qubit, kami telah mengukur γ̄ sebesar 1.008 pada chip Falcon r10 [27-qubit].

Bagaimana Anda dapat melakukan perbaikan tersebut untuk mitigasi kesalahan?

Untuk meningkatkan fidelitas, kami mengambil pendekatan yang disebut pembatalan kesalahan probabilistik [arXiv:2201.09866]. Idenya adalah Anda mengirimi saya beban kerja dan saya akan mengirimi Anda hasil yang diproses dengan perkiraan bebas gangguan. Anda bilang saya ingin Anda menjalankan sirkuit ini; Saya mengkarakterisasi semua kebisingan yang saya miliki di sistem saya, dan saya menjalankan banyak proses dan kemudian memproses semua hasil tersebut bersama-sama untuk memberi Anda perkiraan keluaran rangkaian bebas kebisingan. Dengan cara ini, kami mulai menunjukkan bahwa kemungkinan akan ada sebuah kontinum dari keadaan kita saat ini dengan penekanan kesalahan dan mitigasi kesalahan hingga koreksi kesalahan penuh.

Jadi Anda bisa sampai di sana tanpa membangun qubit logis yang sepenuhnya mengoreksi kesalahan?

Apa sebenarnya qubit logis itu? Apa sebenarnya maksud orang-orang dengan hal itu? Yang benar-benar penting adalah: bisakah Anda menjalankan sirkuit logis, dan bagaimana Anda menjalankannya sedemikian rupa sehingga runtime selalu semakin cepat? Daripada memikirkan tentang membangun qubit logis, kami memikirkan tentang cara kami menjalankan sirkuit dan memberikan perkiraan jawabannya kepada pengguna, lalu mengukurnya berdasarkan waktu proses.

Saat Anda melakukan koreksi kesalahan normal, Anda mengoreksi apa yang menurut Anda jawabannya akan sampai pada titik tersebut. Anda memperbarui kerangka referensi. Namun kami akan mencapai koreksi kesalahan melalui mitigasi kesalahan. Dengan γ̄ sama dengan 1, saya akan melakukan koreksi kesalahan secara efektif, karena tidak ada biaya tambahan untuk meningkatkan perkiraan sebanyak yang Anda suka.

Dengan cara ini, kita akan memiliki qubit logis secara efektif, tetapi qubit tersebut akan disisipkan secara terus menerus. Jadi kami mulai memikirkannya pada tingkat yang lebih tinggi. Pandangan kami adalah untuk menciptakan, dari sudut pandang pengguna, sebuah kontinum yang semakin cepat dan semakin cepat. Maka, ujian utama bagi kematangan komputer kuantum adalah apakah waktu proses kuantum dapat bersaing dengan waktu proses klasik.

Hal ini sangat berbeda dengan apa yang dilakukan perusahaan kuantum lainnya, namun saya akan sangat terkejut jika hal ini tidak menjadi pandangan umum – saya yakin Anda akan mulai melihat orang-orang membandingkan waktu proses, bukan tingkat koreksi kesalahan.

Apa yang kami lakukan hanyalah komputasi secara umum, dan kami meningkatkannya melalui prosesor kuantum

Jika Anda membuat perangkat modular dengan koneksi klasik, apakah itu berarti masa depan bukanlah kuantum versus klasik, melainkan kuantum dan klasik?

Ya. Menggabungkan klasik dan kuantum akan memungkinkan Anda berbuat lebih banyak. Itulah yang saya sebut surplus kuantum: melakukan komputasi klasik dengan cara yang cerdas menggunakan sumber daya kuantum.

Jika saya bisa mengayunkan tongkat ajaib, saya tidak akan menyebutnya komputasi kuantum. Saya akan kembali ke masa lalu dan mengatakan bahwa sebenarnya apa yang kami lakukan hanyalah komputasi secara umum, dan kami meningkatkannya melalui prosesor kuantum. Saya telah menggunakan slogannya “superkomputer yang berpusat pada kuantum”. Ini benar-benar tentang meningkatkan komputasi dengan menambahkan kuantum ke dalamnya. Saya benar-benar berpikir ini akan menjadi arsitekturnya.

Apa kendala teknisnya? Apakah penting bahwa perangkat ini memerlukan pendinginan kriogenik?

Itu bukan masalah besar. Masalah yang lebih besar adalah jika kita melanjutkan peta jalan kita, saya khawatir dengan harga barang elektronik dan semua hal yang mengelilinginya. Untuk menurunkan biaya-biaya ini, kita perlu mengembangkan ekosistem; dan kami sebagai komunitas masih belum berbuat cukup untuk menciptakan lingkungan tersebut. Saya tidak melihat banyak orang hanya fokus pada elektronik, tapi saya pikir itu akan terjadi.

Apakah semua ilmu pengetahuan kini sudah selesai, sehingga kini lebih banyak soal rekayasa?

Akan selalu ada ilmu pengetahuan yang dapat dilakukan, terutama saat Anda memetakan jalur dari mitigasi kesalahan ke koreksi kesalahan. Jenis konektivitas apa yang ingin Anda masukkan ke dalam chip? Apa hubungannya? Ini semua adalah ilmu dasar. Saya pikir kita masih bisa mendorong tingkat kesalahan menjadi 10^-5. Secara pribadi, saya tidak suka memberi label “sains” atau “teknologi”; kami sedang membangun inovasi. Saya pikir pasti ada transisi dari perangkat-perangkat ini menjadi alat, dan pertanyaannya adalah bagaimana kita menggunakan benda-benda ini untuk ilmu pengetahuan, bukan tentang ilmu pengetahuan dalam menciptakan alat tersebut.

Apakah Anda khawatir mungkin ada gelembung kuantum?

Tidak. Saya pikir keunggulan kuantum dapat dipecah menjadi dua hal. Pertama, bagaimana Anda menjalankan sirkuit lebih cepat pada perangkat keras kuantum? Saya yakin saya bisa membuat prediksi tentang itu. Dan kedua, bagaimana Anda sebenarnya menggunakan sirkuit ini, dan menghubungkannya dengan aplikasi? Mengapa metode berbasis kuantum bekerja lebih baik dibandingkan metode klasik saja? Itu adalah pertanyaan sains yang sangat sulit. Dan ini adalah pertanyaan-pertanyaan yang diminati oleh fisikawan energi tinggi, ilmuwan material, dan ahli kimia kuantum. Saya pikir pasti akan ada permintaan – kita sudah melihatnya. Kami melihat beberapa perusahaan bisnis juga mulai tertarik, namun akan memakan waktu cukup lama untuk menemukan solusi nyata, dibandingkan kuantum menjadi alat untuk melakukan sains.

Saya melihat ini sebagai transisi yang mulus. Salah satu area penerapan yang berpotensi besar adalah permasalahan yang memiliki data dengan beberapa tipe struktur, terutama data yang sangat sulit untuk menemukan korelasinya secara klasik. Keuangan dan kedokteran sama-sama menghadapi masalah seperti itu, dan metode kuantum seperti pembelajaran mesin kuantum sangat baik dalam menemukan korelasi. Ini akan menjadi jalan yang panjang, namun investasi yang mereka keluarkan akan sepadan.

Bagaimana dengan menjaga keamanan komputasi terhadap, katakanlah, serangan seperti algoritma pemfaktoran Shor, yang memanfaatkan metode kuantum untuk memecahkan metode kriptografi kunci publik saat ini, berdasarkan faktorisasi?

Semua orang ingin merasa aman terhadap algoritma Shor – yang sekarang disebut “aman kuantum”. Kami memiliki banyak penelitian mendasar mengenai algoritme, namun bagaimana membangunnya akan menjadi pertanyaan penting. Kami sedang menyelidiki untuk memasukkan hal ini ke dalam produk kami selama ini, bukan sebagai tambahan. Dan kita perlu bertanya bagaimana kita memastikan kita memiliki infrastruktur klasik yang aman untuk kuantum. Bagaimana masa depan akan menjadi sangat penting dalam beberapa tahun ke depan – bagaimana Anda membangun perangkat keras yang aman untuk kuantum dari awal.

Definisi saya tentang kesuksesan adalah ketika sebagian besar pengguna bahkan tidak menyadari bahwa mereka menggunakan komputer kuantum

Pernahkah Anda terkejut dengan kecepatan kemajuan komputasi kuantum?

Bagi seseorang yang sudah mendalami hal ini seperti saya sejak tahun 2000, hal ini berjalan sangat dekat dengan jalur yang diperkirakan. Saya ingat kembali ke peta jalan internal IBM dari tahun 2011 dan itu cukup tepat. Saya pikir saya mengada-ada saat itu! Secara umum, saya merasa seolah-olah orang melebih-lebihkan berapa lama waktu yang dibutuhkan. Ketika kita semakin maju, dan orang-orang membawa ide-ide informasi kuantum ke perangkat ini, dalam beberapa tahun ke depan kita akan dapat menjalankan sirkuit yang lebih besar. Kemudian mengenai jenis arsitektur apa yang perlu Anda bangun, seberapa besar clusternya, jenis saluran komunikasi apa yang Anda gunakan, dan seterusnya. Pertanyaan-pertanyaan ini akan didorong oleh jenis sirkuit yang Anda jalankan: bagaimana kita mulai membuat mesin untuk jenis sirkuit tertentu? Akan ada spesialisasi sirkuit.

Seperti apa komputasi kuantum pada tahun 2030?

Definisi sukses menurut saya adalah ketika sebagian besar pengguna bahkan tidak menyadari bahwa mereka menggunakan komputer kuantum, karena komputer tersebut dibangun dalam arsitektur yang bekerja secara mulus dengan komputasi klasik. Ukuran keberhasilannya adalah bahwa hal ini tidak terlihat oleh kebanyakan orang yang menggunakannya, namun hal ini meningkatkan kehidupan mereka dalam beberapa hal. Mungkin ponsel Anda akan menggunakan aplikasi yang melakukan estimasi menggunakan komputer kuantum. Pada tahun 2030, kita tidak akan mencapai level tersebut, namun saya pikir kita akan memiliki mesin yang sangat besar pada saat itu dan mesin tersebut akan melampaui apa yang dapat kita lakukan secara klasik.