Google Sycamore
Jak jste se již mohli dozvědět z naší zprávičky, minulý týden tým vědců z Google a řady jiných institucí publikoval v prestižním časopisu Nature, že jejich kvantový počítač Sycamore (více druhů stromů s podobnými listy jako platan) s 53 qubity dosáhl kvantové nadvlády nebo převahy (quantum supremacy) nad klasickými superpočítači.
Zvládl spočítat jednu specifickou úlohu za 246 sekund. Autoři odhadli, že stejnou úlohu by současný superpočítač s milionem jader (více než milion jader mají v současnosti dva čínské a dva americké superpočítače) zvládl až za 10 tisíc let.
Podle Google je na stejný výpočet potřeba 10 tisíc let na milionu jader
Výzkumníci z IBM sepsali na blogu odpověď, kde říkají, že s onou převahou to nebude až tak horké, že v současnosti nejrychlejší superpočítač IBM Summit v Oak Ridge v USA s 2,4 miliony jader a s výkonem téměř 150 PFlops by dokázal danou úlohu spočítat za asi 2,5 dne. Kromě blogu mají také velmi podrobný článek, kde najdete více informací. Jak to tedy je ve skutečnosti?
Pokud by někoho zajímalo, jak mohlo IBM tak rychle přijít s odpovědí (vlastně 2 dny před vydáním článku v Nature), tak za prvé Google na stejném problému pracuje už delší dobu (například rok a půl starý článek o tom stejném jen se 49 quibity) a za druhé článek v Nature unikl asi měsíc před zveřejněním, byl totiž vystaven na webu NASA. NASA s Google na článku spolupracovala.
Podle IBM odhadovaná doba výpočtu na Summitu, výsledek Google odpovídá 53 qubit a 20 depth.
Co je to kvantová převaha?
Kvantovou převahu či nadvládu (quantum supremacy) Google označuje stav, kdy kvantový počítač dokáže jednu úlohu vyřešit, kdežto klasický superpočítač ne. Google provedl svůj výzkum na kvantovém počítači Sycamore, který má v dvourozměrném poli 53 qubitů (původně 54, ale jeden nefunguje), 1 113 jednoquibitových hradel a 430 dvojqubitových hradel. Jako úlohu si vybral vzorkování náhodného kvantového obvodu, kde se vytvoří kvantový chaos. Náhodné sekvence bitů pak nemají všechny stejnou pravděpodobnost, ale některé jsou pravděpodobnější více a některé méně, podle toho, jak spolu qubity kvantově interagují. Teoretická pravděpodobnost je ale známa a výsledek s menším počtem qubitů se samozřejmě ověřuje na klasickém počítači.
Přitom přesnost měření qubitu je u Sycamore 0.2 %. To je u soudobých kvantových počítačů z principu vždy malé číslo, nazýváme je proto noisy intermediate-scale quantum (NISQ) computers a prakticky je potřeba qubit měřit několik miliónkrát po sobě. Jedno měření trvá však u Sycamore jen 40 mikrosekund a jde měřit všechny qubity zároveň. Potřebujeme tedy pro 5 miliónů měření asi 200 sekund.
V budoucnu se počítá s využitím kvantové opravy chyb (quantum error-correction, QEC). Velkou nevýhodou je, že na jeden opravený quibit potřebujete 5–9 fyzických quibitů. To je velký rozdíl oproti klasickým počítačům, kde se chyby vyskytují velmi málo často, a proto pro opravu chyb stačí přidat třeba jen jeden kontrolní bit k 8 datovým bitům (ECC).
Jestli chceme stejný problém, jaký řešil Sycamore, řešit na klasickém počítači, jeho složitost roste exponenciálně s počtem qubitů. Tým kolem Google úlohu s menším počtem qubitů (do 43) řešil jak na Summitu, tak na menších superpočítačích ve výpočetním centru v Jülichu. Nejrychlejší z nich JUWELS má přes 100 tisíc jader, 264 TB RAM a výkon 6 PFlops. Je to v současnosti 30. nejrychlejší počítač na světě. Použit byl rychlý Schrödingerův algoritmus, ale ten se pro více než 50 qubitů již nevejde do RAM Summitu a je třeba použít pomalejší, ale pro paměť úspornější Schrödinger-Feynmanův algoritmus.
Srovnání algoritmů podle Google
Na algoritmu záleží
Pěkné srovnání těchto dvou algoritmů najdete v rozsáhlém doplňujícím materiálu k článku v Nature. V levém obrázku vidíte modré čáry pro dvoujádrový laptop a pak černé pro superpočítač s milionem jader. Summit má 2,4 milionu jader. Také ukazují, že 53 qubitů se nevejde do RAM Summitu. U pomalejšího Schrödinger-Feynmanova algoritmu (dva další obrázky) naleznete jen čáry pro superpočítač s milionem jader, ale doplněné o informace o přibližné ceně za provoz a propálených MWh elektřiny.
Mimochodem, Summit patří k nejúspornějším superpočítačům, v seznamu Green500 je hned na druhém místě s účinností 14,7 GFlops/W a s celkovou spotřebou 10 MW. Třeba čtvrtý nejrychlejší superpočítač Tianhe-2A z Číny a první s architekturou x86 má účinnost jen 3,3 GFlops/W. Český superpočítač Salomon v Ostravě (v Top500 na 282. místě) pak má účinnost jen 0,3 GFlops/W.
Oproti tomu tým IBM na Summitu použil rychlejší Schrödingerův algoritmus a část výpočtu ukládá a následně čte z disku. Patrně proto dosáhlo IBM výpočtu 53 quibitů s hloubkou 20 za 2,5 dne místo Googlem extrapolovaných 10 tisíc let. Čas na práci s disky byl zohledněn. K přibližně stejnému závěru dojdeme i při pohledu do levého obrázku od Google (přibližně okolo hvězdičky, trošku nahoru k 20 cyklům). Podle IBM jejich algoritmus na Summitu bude mít výkon kolem 87–107 PFlops (z maximálních 150 PFlops) a jen uchování celého výsledku 53 qubitů v single-precision zabere 128 PiB. Přitom kapacita disků v Summitu je 250 PiB.
Rozdíl v odhadech mezi Google a IBM je tedy způsoben použitým algoritmem. I tak je kvantový počítač stále o dost rychlejší. I když s algoritmem IBM by úloha na Summitu běžela jen 2,5 dne, je to stále obrovská úloha na samé hranici toho, co Summit dokáže, zabírající spoustu kapacity a také elektrické energie. A protože náročnost roste exponenciálně s počtem qubitů, tak na 55 qubitů už by disková kapacita Summitu nestačila, na 60 qubitů by bylo potřeba už 33 Summitů a na 70 qubitů by klasický superpočítač zabíral už celé město.
Takže je kvantový počítač lepší? Ano, v této úloze je lepší, ale zatím neumíme kvantový výpočet zobecnit pro libovolnou úlohu. Programování kvantového počítače zatím připomíná spíše hru s hradly 7400. Známý je například kvantový Shorův algoritmus pro nalezení prvočíselných dělitelů velkého čísla. Jeho problémem je, že potřebujeme minimálně dvakrát tolik qubitů, než má číslo bitů. Tedy 53 qubitů stačí tak na 26 bitový klíč. Navíc bude potřeba kvantová oprava chyb (QEC) a proto si počet potřebných qubitů vynásobte nejméně 5×. Vyrobit velké množství spolu fungujících qubitů zatím naráží na problémy s kvantovou dekoherencí. Zatím tedy z prolomení klasické kryptografie strach mít nemusíme.
Shorův algoritmus
Tak jsme tam nebo nejsme?
Má tedy pravdu Google, nebo IBM? Google předvedl, že jeho kvantový počítač je v jedné úloze rychlejší než klasický superpočítač. Sice po opravě IBM je ten rozdíl menší, ale i tak je to o hodně. Jde však o nadvládu nebo převahu kvantových počítačů nad klasickými?
Podle mne zatím ne, kvantové počítače mají stále omezenou použitelnost a nedosahují univerzálnosti klasického počítače. Je možné, že budou úlohy, které bude výhodnější řešit na klasických počítačích a naopak jiné na kvantových. Je také možné, že se klasické a kvantové počítače propojí, nebo přijde ještě něco jiného. Uvidíme, co přinese budoucnost.
Důležité odkazy
- Článek Google v Nature
- Článek Google v Nature v PDF (7 stran)
- Doplňující informace k článku Google (PDF, 67 stran)
- Datové soubory s výsledky Google (2 GB)
- Blog IBM
- Článek IBM (PDF, 39 stran)
