「量子超越性」: Google、IBM、および争われているコンピューティングのエクスプロイト

1 か月前、Googleニュースになっていました非常にキャッチーなタイトルの科学記事で、「巨人は到達しただろう」量子超越性」。将来のスーパーコンピューターの競争において、量子コンピューターはコンピューター科学者にとって聖杯のような雰囲気を持っており、古典的なコンピューターとは比較にならないほど高速で特定の問題を解決することができます。問題の記事は当時偶然に流出し、現在に至っている。正式に出版される有名な雑誌に自然。

しかしそのうちに、論争が起こった。 Google とその 53 量子ビット「Sycamore」マシンからの結果の正当性については誰もが同意しています。全会一致ではないのは、導かれた結論と使用された言語です。 IBMの研究者は特に、次のようなレンチを池に投げ込みました。ブログ投稿Googleの同僚を批判している。

記事では、彼らのマシンは「量子超越性」を達成し、「最先端のスーパーコンピューターが同等のタスクを達成するには約1万年かかる」と主張している。同じタスクの理想的なシミュレーションは、従来のシステムで 2.5 日以内にはるかに高い忠実度で実行できると主張します。

IBMを選ぶ理由したがって、彼は挑戦しますGoogleが量子枕投げで？技術的な偉業の背後にあるのは、まさに次のことを宣言する行為です。量子超越性が達成された» IBM はこれに問題があると考えています。これらすべてを明らかにする前に、亜原子の世界について少し掘り下げてみる必要があります。

量子コンピューティング、その仕組み

物理学者の間では、2 つの世界に対抗することができます。古典的な世界は大規模に機能し、毎日私たちの周りにあり、20 世紀初頭まですべての物理学の基礎となっていた世界です。量子の世界は、原子以下のスケールで無限に小さいものを支配します。そこでは非常に奇妙なことが起こります。偶然と不確実性が支配し、粒子が壁を通過し、エルヴィン・シュレディンガーの有名な思考実験によれば、猫は死んでいる場合も生きている場合もあります。

量子コンピューティングは一般に次のように説明されます。古典的なコンピューターは、0 または 1 の値を取ることができるビットを操作します。しかし、量子コンピューターは、量子ビット量子の世界の驚異のおかげで、重ね合わせこれは、「死んだ」状態と「生きた」状態が重ね合わされるシュレディンガーの猫と同じ原理です。

「ザ古典的なシステムは一般に量子システムを効果的にシミュレートすることができません。」

これがどのようにして可能なのかをよりよく理解するために、別の比喩を考えてみましょう。これは、量子コンピューティングの著名人であるカリフォルニア工科大学 (カリフォルニア工科大学) の物理学者ジョン・プレスキル氏の 2012 年の科学論文によるものです (PDF）「量子超越性」という有名な表現も定義されています。

典型的な 100 ページの本を考えてみましょう。 10 ページ読んだ場合、その本の全情報の 10% を読んだことになります。しかし、量子の本では、情報の大部分はテキストとしてページに書かれていません。それは相関関係にコード化されています間ページ。専門用語で、ページが「絡まる」と言います。私たちが愚かにも 100 ページの量子の本のうち 10 ページを読んだとしても、そこにある情報のほんの一部しか認識していないことになります。

そして、量子の本を隅々まで読んでみると、古典的な本に載せるのは非常に難しいであろう膨大な量の情報が見つかります。これらの「ページ」をそれぞれビットと量子ビットに置き換えることで、コンピューターの世界、より広義にはこの考え方に戻ることができます。「ザ一般に、古典システムは量子システムを効果的にシミュレートできません。

量子猫を箱から出す

Preskill 氏によると、この文はその理由を要約しています。「私たちは、大規模でありながら、深い量子動作を示す制御された量子システムを熱望しています。」、そしてその理由「この探求は魅力的だと思います」。実際、私たちの規模のそのような量子システムは、「理解を超えて」、私たちが驚きと喜びを感じる方法で行動することによって」。

そこから次のような考えが生まれます量子超越性。それは非常にシンプルな概念であり、その瞬間を指定します。量子マシンは、古典的なコンピューターが実際には実行できなかったタスクを実行します。私たちは同意します: それは質問ですのタスクですが、必要なすべてのタスクではありません。これを達成する前に、量子現象を取得し、巨視的スケールで保存する必要があります。そしてそれは複雑です。

«それは本当に本当に難しいのでしょうか、それとも途方もなく難しいのでしょうか？ »

量子の世界には驚くべき法則があるため、量子コンピューターの内部で何が起こっているかを観察するだけでも、プロセス全体を混乱させるのに十分です。これは「デコヒーレンス」と呼ばれ、状態の量子重ね合わせが単一の古典状態に還元されます。シュレディンガーの猫は２匹とも死んだなど箱の中にいる限り生きていますが、箱の中を覗くと死んでいる状態に戻ります。または生き生きとした。

そこでプレスキル氏は、少しユーモアを交えて質問します。「大規模な量子システムを制御するのは正しいですか？」本当に、本当に難しい、それとも不条理難しい? »。前者の場合、実行可能な量子コンピューターの構築には数十年しかかかりませんが、後者の場合は何世紀もかかります（またはまったくかかりません）。

Google は IBM より (少なくとも) 1200 倍高速です

投稿で10月上旬に出版された科学ニュースサイトでクアンタマガジン, プレスキル氏は、量子コンピューティングの実装が不可能ではないことを示すものとしてGoogleの成果を称賛している。「Google チームも認識しているように、問題は彼らの機械が解決した問題驚くべきスピードで量子コンピューターの優位性を実証する目的で慎重に選ばれました»しかし、物理学者はこう強調する。

逆に、IBMのメッセージもすべての人に受け入れられるわけではありません。主な批判の 1 つは、オースティン大学 (テキサス州) のコンピューター サイエンス研究者スコット アーロンソンによるものです。彼のブログではと同氏は、IBMがオークリッジ国立研究所にあるSummitコンピューターにシナリオを基づいていると指摘した。これは世界で最も強力なスーパーコンピューターで、バスケットボール コート 2 面分に相当し、Google の量子ベクトルに相当するデータを保存するための 250 ペタバイト (または 250,000 テラバイト) のハード ドライブを備えています。

アーロンソン氏は、サミットがこの任務を完了するのに 2 日半かかるのはもっともらしいと考えています。しかし、Google の量子コンピューターは、その仕事を 1200 倍速い 3 分で実行することに成功しました。 2 台のマシンに必要な計算操作の数に基づいて、コンピュータ科学者は Google の実際の優位性は 400 億倍に達すると個人的に見積もっています。

3 分対 2 日半

次にスコット・アーロンソンは、ハーバード大学の同僚ボアズ・バラクから与えられた例えを引用します。この状況は、1997 年にチャンピオンのゲイリー・カスパロフと IBM のディープ・ブルー・コンピューターの間で行われた 2 つのチェスの試合を思い出させるでしょう。「しかし歴史の皮肉なことに、IBM は現在カスパロフの役割を果たしています。 »カスパロフは最初の試合で勝ち、ディープ・ブルーは二番目の試合で勝ちました。「カスパロフは1年か2年続く移行期間の間は英雄的な戦いをすることができるが、基本的な状況は彼が乾杯しているということだ」。

コンピューティングでは、プログラムの実行速度を分類する別の方法があります。 2 つのプログラムが一度にタスクを完了できます。多項式 (高速)、 どちらか指数関数的（遅い）。前者の場合、タスクの量が増加すると、タスクを完了するのにかかる時間も合理的かつ比例的に増加します。 2 番目のケースでは、この時間が指数関数的に爆発的に増加し、一般的には管理できなくなります。

問題のタスクについては、Google のコンピュータは多項式時間で解決できますが、IBM のコンピュータは指数関数的時間で満足しています。したがって、Google のマシンは質的に優れています。「具体的な時間の見積もりはあまり重要ではありません」、シカゴ大学のウィリアム・フェファーマン氏が進歩しました。「IBMの論文は、1万年の推定を除けば、Googleの主な主張を無効にするものではないと思う」。

量子超越性という言葉は本当に適切なのでしょうか?

要するに、それはすべて、「量子超越性」が実際に何を意味するのか、そして特になぜこの用語の使用にそれほど価値を置くのかにかかっています。歴史的に、初期の量子コンピューターは非常に単純で不必要な計算しか実行できず、古典的なコンピューターであれば簡単にエミュレートできました。研究者たちは、目的を果たす量子マシンを手に入れる前に、少なくとも「立ち上がる」量子マシンを求めていました。

この解釈では、量子超越性は、多かれ少なかれ、古典的なコンピューターと比較して興味を持っていることを示すのに十分な、最初の量子マシンの段階を指します。「超越性の前に、量子コンピューターが何か面白いことをできる可能性はまったくありません。」、物理学者が説明するカリフォルニア工科大学のフェルナンド・ブランダオ氏は、グーグルでも働いている。「至高性は必要なステップだ」。

このビジョンは、IBM をはじめとする業界の全員に共有されているわけではありません。«量子超越性、私たちはこの用語をまったく使用しません »、ロバート・スーター氏はこう語る, IBMの量子コンピューティング戦略責任者。「それは私たちがまったく気にしていないことです。 »より中立的な用語は、量子の利点多くの研究者にも利用されています。

なぜなら、「至高性」という言葉には含意がないわけではないからです。ジョン・プレスキル氏はニュアンスを理由に選択を正当化している。「私にとって、「アドバンテージ」には「優位性」ほどのパンチはありません。レースでは、頭差で勝った馬が有利になります。対照的に、量子コンピューターの速度は、特定のタスクでは古典的なコンピューターの速度をはるかに上回ります。 »

しかし、彼はまた、今期は「量子技術の現状に関するすでに誇張的なメディア報道をさらに悪化させる。」アメリカ人の耳には、この言葉はますます白人至上主義者を連想させるが、それは問題にはならない。ザIBMの研究者がこうした議論を取り上げるそしてそれを付け加えます「至高性という言葉はほとんどの人に誤解されている」(量子コンピューティングの専門家が存在し、それを適切な文脈に置くことができる希少な環境の外で)」。

「量子超越性が達成された」というような見出しは、載せたくないものですが、一般の人々に誤解を与えることは避けられません。 […] 量子コンピュータは決して古典的なコンピュータに対して「優位」を占めることはありませんが、どちらも独自の強みを持っているため、むしろそれらと連携して動作することになります。

カスパロフとディープ・ブルーの間の 2 つのチェスの試合の例えに戻ると、Google は間違いなくテクノロジーの試合で勝利を収めました。しかし、言葉と言語の重要性の勝負においては、IBM は名誉ある勝利に値しました。

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