19 सेकंद विरुद्ध महासंगणकाचे एक शतक

क्वांटम श्रेष्ठता (quantum advantage) म्हणजे असे दाखवणे की कोणताही पारंपरिक महासंगणक वाजवी वेळेत पूर्ण करू शकत नाही असे काम क्वांटम संगणक करू शकतो. याची प्रमाणित चाचणी म्हणजे यादृच्छिक-परिपथ नमुनाग्रहण (random-circuit sampling): डझनभर क्युबिटवर यादृच्छिकपणे निवडलेल्या क्वांटम गेट्सची मालिका लागू करायची, आणि मग त्यांचे मोजमाप घ्यायचे. परिणाम म्हणजे 0 आणि 1 च्या मालिकांचा प्रवाह, जो अशा संभाव्यता वितरणातून येतो की ते पुन्हा निर्माण करताना पारंपरिक संगणकांची प्रचंड दमछाक होते.

एक महत्त्वाचा मुद्दा: या कामाचा कोणताही व्यावहारिक उपयोग नाही. हे एक मानदंड (benchmark) आहे — कच्च्या संगणन-शक्तीचे स्टॉपवॉच.

दोन्ही बाजूंनी शर्यत

53 क्युबिटच्या Sycamore प्रोसेसरने शर्यत सुरू केली, त्यानंतर Zuchongzhi 2.0 आणि 2.1, 67 क्युबिटचा Sycamore, आणि 83 सक्रिय क्युबिट असलेला Zuchongzhi 3.0 आले. दुसऱ्या बाजूला, पारंपरिक अल्गोरिदम सुधारत राहिले आणि या प्रयोगांची पुनर्निर्मिती करण्याचा खर्च अनेक परिमाण-क्रमांनी कमी केला. म्हणून प्रत्येक दाव्याने नेमक्या कोणत्या पारंपरिक कामाशी तुलना केली जात आहे ते सांगितले पाहिजे.

आत्तापर्यंत ही सगळी प्रात्यक्षिके त्या प्रसंगासाठी काळजीपूर्वक जुळवलेल्या समर्पित प्रयोगशाळा यंत्रांवर चालली होती.

क्लाउडद्वारे भाड्याने घेतलेला प्रोसेसर

BlueQubit (सॅन फ्रान्सिस्को) या स्टार्टअपच्या चमूने, EPFL आणि XPRIZE फाउंडेशनमधील सहकाऱ्यांसह, IBM Nighthawk r2 प्रोसेसर वापरला: 12 × 10 च्या चौरस जाळीवरील 120 अतिसंवाहक क्युबिट. त्यांनी तो क्लाउडद्वारे, IBM च्या प्रमाणित Qiskit साधनांनी, आणि कोणत्याही विशेष अंशांकनाशिवाय वापरला. लेखक IBM चे नाहीत: त्यांनी IBM च्या स्टार्टअप कार्यक्रमाद्वारे यंत्र वापरले आणि त्यांची मते IBM ची नाहीत असे ते नमूद करतात.

त्यांनी 61 क्युबिट वापरले — तीन क्युबिट त्यांच्या अंशांकन डेटामुळे वगळले — जे 102 जोडकांनी जोडलेले होते.

परिणाम थेट तपासणे अशक्य आहे: पारंपरिक संगणक नेमके तेच करू शकत नाहीत. म्हणून चमूने परिपथाच्या विश्वसनीयतेचे (fidelity) दोन स्वतंत्र अंदाज वापरले:

“आरसा” चाचणी: एक परिपथ चालवायचा, मग त्याचा नेमका व्यस्त परिपथ, आणि क्युबिट सुरुवातीच्या स्थितीत परत येतात का ते तपासायचे — सदृशीकरणाची गरज नाही;
“तुकडा” चाचणी: परिपथाचे सदृशीकरण करता येईल इतके लहान 3 किंवा 4 तुकडे करायचे, आणि प्रत्येक तुकडा तपासायचा.

आकडे

दोन्ही अंदाज मोजलेल्या प्रत्येक खोलीवर जुळतात.
प्रति चक्र विश्वसनीयता: 0.872, पहिल्या पिढीच्या Nighthawk r1 वरील 0.836 च्या तुलनेत — 32 ते 40 चक्रांनंतर दहापटींहून अधिक चांगली.
संदर्भबिंदू: 36 चक्रे, 918 दोन-क्युबिट गेट्स, सुमारे 0.0023 विश्वसनीयता. दहा लाख नमुने 19 सेकंदांत गोळा केले.
पारंपरिक पद्धतीने केवळ एक निर्गत संभाव्यता काढायला सुमारे 10²² क्रिया लागतात — Frontier महासंगणकाचे सुमारे दोन दिवस.
तेच दहा लाख नमुने पारंपरिक पद्धतीने निर्माण करायला: सुमारे 1.2 × 10²⁷ क्रिया, म्हणजे Frontier वर सुमारे 110 वर्षे.
संपूर्ण प्रयोगाने क्वांटम संगणकाचा सुमारे 11 मिनिटांचा वेळ वापरला.
माहीत असलेल्या पारंपरिक “युक्त्या” — गुणांची नक्कल करण्यासाठी परिपथाचे तुकडे करणे — मोजलेल्या गुणांपेक्षा किमान दहापट कमी पडतात.

बारीक अक्षरातील अटी

110 वर्षे हा एका विशिष्ट पारंपरिक अल्गोरिदमसाठीचा अंदाज आहे, निरपेक्ष मर्यादा नाही. तो अमर्याद स्मृती गृहीत धरतो, जी पारंपरिक बाजूला अनुकूल आहे. इतर पद्धती — अनेक संभाव्यतांसाठी केलेले काम पुन्हा वापरणे, अंदाजी सदृशीकरणे — खर्च कमी करू शकतात. आणि, लेखक लिहितात, या मानदंडाचा इतिहास सांगतो की त्यांपैकी काही तसे करतील.

कोणीही पुन्हा चालवू शकेल असा मानदंड

लेखकांच्या मते, हे बहुतेक बिगर-तज्ज्ञ वापरकर्ते पुन्हा करू शकतील अशा, व्यावसायिक आणि सर्वत्र उपलब्ध प्रोसेसरवर, प्रमाणित यादृच्छिक-परिपथ नमुनाग्रहणातील क्वांटम श्रेष्ठतेचे पहिले प्रात्यक्षिक आहे. परिपथ, डेटा — दहा लाख नमुन्यांसह — आणि कोड सार्वजनिक आहेत.