La sfârșitul lunii octombrie a anului trecut, Google a anunțat că unul dintre aceste cipuri, numit Sycamore, a devenit primul care a demonstrat „supremația cuantică”, îndeplinind o sarcină care ar fi fost practic imposibilă pe o mașină clasică. Cu doar 53 de qubiți, Sycamore a finalizat în câteva minute un calcul care, potrivit Google, ar fi durat 10.000 de ani pentru cel mai puternic supercomputer existent în lume, Summit. Google a promovat acest lucru ca fiind o descoperire majoră, comparându-l cu lansarea Sputnik sau cu primul zbor al fraților Wright – pragul unei noi ere a mașinilor care ar face ca cel mai puternic calculator de astăzi să semene cu un abac.
În cadrul unei conferințe de presă în laboratorul din Santa Barbara, echipa Google a răspuns cu veselie la întrebările jurnaliștilor timp de aproape trei ore. Dar buna lor dispoziție nu a putut masca o tensiune de fond. Cu două zile mai devreme, cercetătorii de la IBM, principalul rival al Google în domeniul calculului cuantic, au torpilat marea sa dezvăluire. Aceștia publicaseră o lucrare care, în esență, îi acuza pe cei de la Google că au greșit calculele. IBM a estimat că Summit ar fi avut nevoie de doar câteva zile, nu de milenii, pentru a reproduce ceea ce făcuse Sycamore. Când a fost întrebat ce părere are despre rezultatul obținut de IBM, Hartmut Neven, șeful echipei Google, a evitat în mod special să dea un răspuns direct.
Ați putea respinge acest lucru ca pe o simplă ceartă academică – și, într-un fel, așa a fost. Chiar dacă IBM avea dreptate, Sycamore tot făcuse calculele de o mie de ori mai repede decât le-ar fi făcut Summit. Și, probabil, ar fi trecut doar câteva luni până când Google ar fi construit o mașină cuantică puțin mai mare care să dovedească acest lucru dincolo de orice îndoială.
Obiecția mai profundă a IBM, totuși, nu a fost că experimentul Google a fost mai puțin reușit decât se afirma, ci că a fost un test lipsit de sens în primul rând. Spre deosebire de cea mai mare parte a lumii calculului cuantic, IBM nu crede că „supremația cuantică” este momentul fraților Wright al tehnologiei; de fapt, nici măcar nu crede că va exista un astfel de moment.
IBM urmărește în schimb o măsură foarte diferită a succesului, ceva ce numește „avantaj cuantic”. Aceasta nu este o simplă diferență de cuvinte sau chiar de știință, ci o poziție filozofică cu rădăcini în istoria, cultura și ambițiile IBM – și, poate, în faptul că timp de opt ani veniturile și profitul său au fost într-un declin aproape neîncetat, în timp ce Google și compania mamă Alphabet nu au făcut decât să își vadă cifrele în creștere. Acest context și aceste obiective diferite ar putea influența cine – dacă vreunul dintre ei – va ieși învingător în cursa pentru calculul cuantic.
Lumi diferite
Curba elegantă și cuprinzătoare a Centrului de cercetare Thomas J. Watson al IBM din suburbiile de la nord de New York, o capodoperă neo-futuristă a arhitectului finlandez Eero Saarinen, este la un continent și un univers distanță de săpăturile nedeslușite ale echipei Google. Finalizat în 1961 cu bonitatea pe care IBM a făcut-o din mainframe-uri, are o calitate de muzeu, amintindu-le tuturor celor care lucrează în interiorul său de descoperirile companiei în toate domeniile, de la geometria fractală la superconductori, la inteligența artificială – și la calculul cuantic.
Șeful diviziei de cercetare, care numără 4.000 de angajați, este Dario Gil, un spaniol al cărui discurs rapid se grăbește să țină pasul cu zelul său aproape evanghelic. De ambele ori când am vorbit cu el, a enumerat repere istorice menite să sublinieze cât de mult timp este IBM implicat în cercetarea legată de calculul cuantic (a se vedea linia timpului în dreapta).
Un mare experiment: Teoria și practica cuantică
Un bloc de bază al unui calculator cuantic este bitul cuantic, sau qubit. Într-un computer clasic, un bit poate stoca fie un 0, fie un 1. Un qubit poate stoca nu numai 0 sau 1, ci și o stare intermediară numită superpoziție – care poate lua o mulțime de valori diferite. O analogie este că, dacă informația ar fi o culoare, atunci un bit clasic ar putea fi fie alb, fie negru. Un qubit, atunci când se află în superpoziție, ar putea fi orice culoare din spectru și ar putea, de asemenea, să varieze în luminozitate.
Ceea ce rezultă este că un qubit poate stoca și procesa o cantitate imensă de informații în comparație cu un bit – iar capacitatea crește exponențial pe măsură ce conectați qubiți între ei. Stocarea tuturor informațiilor în cei 53 de qubiți de pe cipul Sycamore al Google ar necesita aproximativ 72 de petabytes (72 de miliarde de gigabytes) de memorie clasică de calculator. Nu este nevoie de mult mai mulți qubiți înainte de a avea nevoie de un calculator clasic de mărimea planetei.
Dar nu este simplu. Delicați și ușor de perturbat, qubiții trebuie să fie aproape perfect izolați de căldură, vibrații și atomi rătăcitori – de aici și frigiderele „candelabru” din laboratorul cuantic al Google. Chiar și în acest caz, ele pot funcționa cel mult câteva sute de microsecunde înainte de a se „decorela” și de a-și pierde superpoziția.
Și calculatoarele cuantice nu sunt întotdeauna mai rapide decât cele clasice. Ele sunt doar diferite, mai rapide la unele lucruri și mai lente la altele, și necesită diferite tipuri de software. Pentru a le compara performanțele, trebuie să scrieți un program clasic care să-l simuleze aproximativ pe cel cuantic.
Pentru experimentul său, Google a ales un test de benchmarking numit „random quantum circuit sampling”. Acesta generează milioane de numere aleatoare, dar cu ușoare distorsiuni statistice care sunt o caracteristică a algoritmului cuantic. Dacă Sycamore ar fi un calculator de buzunar, ar fi echivalentul apăsării unor butoane la întâmplare și al verificării faptului că pe afișaj apar rezultatele așteptate.
Google a simulat părți din acest test pe propriile sale ferme masive de servere, precum și pe Summit, cel mai mare supercomputer din lume, la Oak Ridge National Laboratory. Cercetătorii au estimat că realizarea întregii sarcini, care a durat 200 de secunde pentru Sycamore, ar fi durat aproximativ 10.000 de ani pentru Summit. Iată: supremația cuantică.
Atunci care a fost obiecția IBM? În esență, că există diferite moduri de a face ca un computer clasic să simuleze o mașină cuantică – și că software-ul pe care îl scrii, modul în care toci datele și le stochezi și hardware-ul pe care îl folosești, toate acestea fac o mare diferență în ceea ce privește viteza cu care poate rula simularea. IBM a declarat că Google a presupus că simularea va trebui să fie împărțită în mai multe bucăți, dar Summit, cu 280 de petabytes de stocare, este suficient de mare pentru a păstra starea completă a Sycamore deodată. (Iar IBM a construit Summit, așa că ar trebui să știe.)
Dar, de-a lungul deceniilor, compania a căpătat reputația de a se strădui să transforme proiectele sale de cercetare în succese comerciale. Să luăm, de exemplu, cel mai recent, Watson, inteligența artificială care joacă Jeopardy!” pe care IBM a încercat să o transforme într-un robot guru medical. Acesta era menit să ofere diagnostice și să identifice tendințe în oceane de date medicale, dar, în ciuda a zeci de parteneriate cu furnizorii de servicii medicale, au existat puține aplicații comerciale și chiar și cele care au apărut au avut rezultate mixte.
Echipa de calcul cuantic, după spusele lui Gil, încearcă să rupă acest ciclu făcând cercetarea și dezvoltarea afacerilor în paralel. Aproape imediat ce a avut calculatoare cuantice funcționale, a început să le facă accesibile celor din afară, punându-le în cloud, unde pot fi programate cu ajutorul unei interfețe simple de tip drag-and-drop care funcționează într-un browser web. „IBM Q Experience”, lansată în 2016, constă acum în 15 calculatoare cuantice disponibile publicului, cu dimensiuni cuprinse între cinci și 53 de qubiți. Aproximativ 12.000 de persoane pe lună le utilizează, de la cercetători universitari la elevi. Timpul petrecut pe mașinile mai mici este gratuit; IBM spune că are deja peste 100 de clienți care plătesc (nu vrea să spună cât) pentru a le folosi pe cele mai mari.
Nici unul dintre aceste dispozitive – sau orice alt calculator cuantic din lume, cu excepția Sycamore de la Google – nu a demonstrat încă că poate învinge o mașină clasică la ceva. Pentru IBM, nu acesta este scopul în acest moment. Punerea la dispoziție online a mașinilor permite companiei să afle de ce ar putea avea nevoie viitorii clienți de la acestea și permite dezvoltatorilor externi de software să învețe cum să scrie cod pentru ele. Acest lucru, la rândul său, contribuie la dezvoltarea lor, făcând computerele cuantice ulterioare mai bune.
Acest ciclu, crede compania, este calea cea mai rapidă către așa-numitul avantaj cuantic, un viitor în care computerele cuantice nu le vor lăsa neapărat pe cele clasice în praf, dar vor face unele lucruri utile ceva mai repede sau mai eficient – suficient pentru a le face să merite din punct de vedere economic. În timp ce supremația cuantică este o singură piatră de hotar, avantajul cuantic este un „continuum”, spun cei de la IBM – o lume a posibilităților care se extinde treptat.
Aceasta este, așadar, marea teorie unificată a lui Gil despre IBM: că prin combinarea moștenirii sale, a expertizei sale tehnice, a inteligenței altora și a dedicării sale față de clienții de afaceri, poate construi calculatoare cuantice utile mai repede și mai bine decât oricine altcineva.
În această viziune a lucrurilor, IBM vede demonstrația de supremație cuantică a Google ca pe „un truc de salon”, spune Scott Aaronson, fizician la Universitatea Texas din Austin, care a contribuit la algoritmii cuantici pe care îi folosește Google. În cel mai bun caz, este o distragere ostentativă a atenției de la munca reală care trebuie să aibă loc. În cel mai rău caz, este înșelătoare, deoarece ar putea să-i facă pe oameni să creadă că computerele cuantice le pot învinge pe cele clasice la orice, mai degrabă decât la o sarcină foarte limitată. „‘Supremație’ este un cuvânt englezesc pe care va fi imposibil ca publicul să nu-l interpreteze greșit”, spune Gil.
Google, bineînțeles, are o viziune destul de diferită.
Întră în scenă
Google era o companie precoce în vârstă de opt ani când a început să se joace cu problemele cuantice în 2006, dar nu a format un laborator cuantic dedicat până în 2012 – în același an în care John Preskill, un fizician de la Caltech, a inventat termenul „supremație cuantică”.”
Șeful laboratorului este Hartmut Neven, un informatician german cu o prezență impunătoare și cu o înclinație pentru șic în stilul Burning Man; l-am văzut o dată într-o haină albastră cu blană și altă dată într-un costum complet argintiu care îl făcea să arate ca un astronaut grunjos. („Soția mea îmi cumpără aceste lucruri”, a explicat el.) Inițial, Neven a cumpărat o mașină construită de o firmă externă, D-Wave, și a petrecut o vreme încercând să atingă supremația cuantică pe ea, dar fără succes. El spune că l-a convins pe Larry Page, CEO-ul de atunci al Google, să investească în construirea de computere cuantice în 2014, promițându-i că Google va accepta provocarea lui Preskill: „I-am spus: „Ascultă, Larry, în trei ani ne vom întoarce și vom pune pe masa ta un prototip de cip care poate cel puțin să calculeze o problemă care depășește capacitățile mașinilor clasice.””
În lipsa expertizei cuantice a IBM, Google a angajat o echipă din exterior, condusă de John Martinis, fizician la Universitatea din California, Santa Barbara. Martinis și grupul său se numărau deja printre cei mai buni producători de computere cuantice din lume – reușiseră să lege între ei până la nouă qubiți – iar promisiunea făcută de Neven lui Page părea un obiectiv demn de atins pentru ei.
Termenul de trei ani a venit și a trecut în timp ce echipa lui Martinis se străduia să realizeze un cip suficient de mare și suficient de stabil pentru această provocare. În 2018, Google a lansat cel mai mare procesor al său de până acum, Bristlecone. Cu 72 de qubiți, acesta era cu mult înaintea a tot ceea ce făcuseră rivalii săi, iar Martinis a prezis că va atinge supremația cuantică în același an. Dar câțiva dintre membrii echipei lucraseră în paralel la o altă arhitectură de cip, numită Sycamore, care, în cele din urmă, s-a dovedit a fi capabilă să facă mai mult cu mai puțini qubiți. Prin urmare, a fost un cip de 53 de qubiți – inițial 54, dar unul dintre ei a funcționat defectuos – cel care a demonstrat în cele din urmă supremația toamna trecută.
În scopuri practice, programul folosit în acea demonstrație este practic inutil – generează numere aleatorii, ceea ce nu este ceva pentru care ai nevoie de un calculator cuantic. Dar le generează într-un mod special pe care un calculator clasic l-ar găsi foarte greu de reprodus, stabilind astfel dovada de concept (vezi pagina alăturată).
Întrebați-i pe cei de la IBM ce cred despre această realizare și veți primi priviri îndurerate. „Nu-mi place cuvântul , și nu-mi plac implicațiile”, spune Jay Gambetta, un australian care vorbește cu prudență și care conduce echipa cuantică a IBM. Problema, spune el, este că este practic imposibil de prezis dacă un anumit calcul cuantic va fi dificil pentru o mașină clasică, așa că faptul de a-l arăta într-un caz nu te ajută să găsești alte cazuri.
Pentru toți cei cu care am vorbit în afara IBM, acest refuz de a trata supremația cuantică ca fiind semnificativă se apropie de încăpățânare. „Oricine care va avea vreodată o ofertă relevantă din punct de vedere comercial – trebuie să arate mai întâi supremația. Cred că aceasta este doar o logică de bază”, spune Neven. Chiar și Will Oliver, un fizician blând de la MIT care a fost unul dintre cei mai imparțiali observatori ai disputei, spune: „Este o piatră de hotar foarte importantă să demonstrezi că un calculator cuantic este mai performant decât un calculator clasic la o anumită sarcină, oricare ar fi aceasta.”
Saltul cuantic
Indiferent dacă sunteți de acord cu poziția Google sau cu cea a IBM, următorul obiectiv este clar, spune Oliver: să construim un calculator cuantic care să poată face ceva util. Speranța este că astfel de mașini ar putea într-o bună zi să rezolve probleme care necesită cantități de putere de calcul brute imposibil de realizat în prezent, cum ar fi modelarea moleculelor complexe pentru a ajuta la descoperirea de noi medicamente și materiale, sau optimizarea fluxurilor de trafic din orașe în timp real pentru a reduce aglomerația sau realizarea de previziuni meteorologice pe termen mai lung. (În cele din urmă, acestea ar putea fi capabile să spargă codurile criptografice utilizate în prezent pentru a asigura securitatea comunicațiilor și a tranzacțiilor financiare, deși, până atunci, cea mai mare parte a lumii va fi adoptat probabil o criptografie rezistentă la cuantică). Problema este că este aproape imposibil de prezis care va fi prima sarcină utilă sau cât de mare va fi nevoie de un computer pentru a o îndeplini.
Această incertitudine are de-a face atât cu hardware-ul, cât și cu software-ul. În ceea ce privește partea hardware, Google consideră că modelele sale actuale de cipuri pot ajunge undeva între 100 și 1.000 de qubiți. Cu toate acestea, la fel cum performanța unei mașini nu depinde doar de dimensiunea motorului, performanța unui computer cuantic nu este determinată doar de numărul de qubiți. Există o serie de alți factori care trebuie luați în considerare, inclusiv cât de mult timp pot fi ținuți departe de decoertare, cât de predispuși la erori sunt, cât de repede funcționează și cum sunt interconectați. Acest lucru înseamnă că orice calculator cuantic care funcționează în prezent atinge doar o fracțiune din potențialul său maxim.
Între timp, software-ul pentru calculatoarele cuantice este la fel de mult în fază incipientă ca și mașinile în sine. În calculul clasic, limbajele de programare sunt acum la mai multe niveluri de distanță față de „codul mașinii” brut pe care trebuiau să îl folosească primii dezvoltatori de software, deoarece elementele esențiale ale modului în care datele sunt stocate, procesate și deplasate sunt deja standardizate. „Pe un calculator clasic, atunci când îl programezi, nu trebuie să știi cum funcționează un tranzistor”, spune Dave Bacon, care conduce efortul de software al echipei Google. Codul cuantic, pe de altă parte, trebuie să fie foarte bine adaptat la qubiții pe care va rula, astfel încât să se obțină cel mai mult din performanța lor temperamentală. Acest lucru înseamnă că codul pentru cipurile IBM nu va funcționa pe cele ale altor companii și chiar și tehnicile de optimizare a cipului Sycamore de 53 de qubiți de la Google nu vor funcționa neapărat bine pe viitorul său frate de 100 de qubiți. Mai important, înseamnă că nimeni nu poate prezice cât de dificilă va fi o problemă pe care acei 100 de qubiți vor fi capabili să o abordeze.
Cel mai mult pe care cineva îndrăznește să spere este că, în următorii câțiva ani, computerele cu câteva sute de qubiți vor fi convingeți să simuleze o chimie moderat de complexă – poate chiar suficient pentru a avansa în căutarea unui nou medicament sau a unei baterii mai eficiente. Cu toate acestea, decoerența și erorile vor face ca toate aceste mașini să se oprească înainte de a putea face ceva cu adevărat dificil, cum ar fi spargerea criptografiei.
Pentru a construi un computer cuantic cu puterea a 1.000 de qubiți, ar fi nevoie de un milion de qubiți reali.
Aceasta va necesita un calculator cuantic „tolerant la erori”, unul care să poată compensa erorile și să continue să funcționeze la nesfârșit, la fel ca și cele clasice. Soluția așteptată va fi crearea de redundanță: faceți ca sute de qubiți să acționeze ca unul singur, într-o stare cuantică comună. În mod colectiv, acestea pot corecta erorile qubiților individuali. Și pe măsură ce fiecare qubit cedează în fața decoerenței, vecinii săi îl vor readuce la viață, într-un ciclu nesfârșit de resuscitare reciprocă.
Predicția tipică este că ar fi nevoie de până la 1.000 de qubiți uniți pentru a atinge această stabilitate – ceea ce înseamnă că, pentru a construi un computer cu puterea a 1.000 de qubiți, ar fi nevoie de un milion de qubiți reali. Google estimează „în mod „conservator” că poate construi un procesor cu un milion de qubiți în termen de 10 ani, spune Neven, deși există câteva obstacole tehnice mari de depășit, inclusiv unul în care IBM ar putea avea încă un avantaj față de Google (vezi pagina alăturată).
Până atunci, s-ar putea ca multe lucruri să se fi schimbat. Qubiții supraconductori pe care Google și IBM îi folosesc în prezent s-ar putea dovedi a fi tuburile de vid ale epocii lor, înlocuite de ceva mult mai stabil și mai fiabil. Cercetătorii din întreaga lume experimentează diverse metode de fabricare a qubiților, deși puțini sunt suficient de avansați pentru a construi computere funcționale cu aceștia. Start-up-uri rivale, cum ar fi Rigetti, IonQ sau Quantum Circuits, ar putea dezvolta un avantaj într-o anumită tehnică și să devanseze companiile mai mari.
O poveste cu doi transmoni
Cubiții transmonici ai Google și IBM sunt aproape identici, cu o mică, dar potențial crucială diferență.
Atât la computerele cuantice ale Google, cât și la cele ale IBM, qubiții înșiși sunt controlați prin impulsuri de microunde. Micile defecte de fabricație înseamnă că nu există doi qubiți care să răspundă la impulsuri de exact aceeași frecvență. Există două soluții în acest sens: variați frecvența impulsurilor pentru a găsi punctul ideal al fiecărui qubit, ca și cum ați scutura o cheie prost tăiată într-o încuietoare până când aceasta se deschide; sau folosiți câmpuri magnetice pentru a „acorda” fiecare qubit la frecvența potrivită.
IBM folosește prima metodă; Google o folosește pe cea de-a doua. Fiecare abordare are plusuri și minusuri. Qubiții acordabili de la Google funcționează mai rapid și mai precis, dar sunt mai puțin stabili și necesită mai multe circuite. Qubiții cu frecvență fixă de la IBM sunt mai stabili și mai simpli, dar funcționează mai încet.
Din punct de vedere tehnic, este destul de mult o situație de tip „toss-up”, cel puțin în acest stadiu. Din punct de vedere al filozofiei corporative, însă, este diferența dintre Google și IBM pe scurt – sau, mai degrabă, într-un qubit.
Google a ales să fie agilă. „În general, filozofia noastră merge un pic mai mult spre o controlabilitate mai mare, în detrimentul cifrelor pe care oamenii le caută de obicei”, spune Hartmut Neven.
IBM, pe de altă parte, a ales fiabilitatea. „Există o diferență uriașă între a face un experiment de laborator și a publica o lucrare și a pune în funcțiune un sistem cu o fiabilitate de, de exemplu, 98%, pe care îl poți face să funcționeze tot timpul”, spune Dario Gil.
În acest moment, Google are un avantaj. Cu toate acestea, pe măsură ce mașinile devin mai mari, avantajul ar putea trece la IBM. Fiecare qubit este controlat de propriile fire individuale; un qubit reglabil necesită un fir suplimentar. Calcularea cablajului pentru mii sau milioane de qubiți va fi una dintre cele mai dificile provocări tehnice cu care se vor confrunta cele două companii; IBM spune că acesta este unul dintre motivele pentru care a optat pentru qubitul cu frecvență fixă. Martinis, șeful echipei Google, spune că și-a petrecut personal ultimii trei ani încercând să găsească soluții de cablare. „Este o problemă atât de importantă încât am lucrat la ea”, glumește el.
Dar, având în vedere mărimea și averea lor, atât Google, cât și IBM au șansa de a deveni jucători serioși în domeniul calculului cuantic. Companiile vor închiria mașinile lor pentru a rezolva problemele în modul în care închiriază în prezent stocare de date în cloud și putere de procesare de la Amazon, Google, IBM sau Microsoft. Iar ceea ce a început ca o bătălie între fizicieni și informaticieni va evolua într-o competiție între diviziile de servicii de afaceri și departamentele de marketing.
Ce companie este cea mai bine plasată pentru a câștiga acest concurs? IBM, cu veniturile sale în scădere, ar putea avea un simț al urgenței mai mare decât Google. Cunoaște din experiență amară costurile pe care le implică intrarea lentă pe o piață: vara trecută, în cea mai scumpă achiziție pe care a făcut-o vreodată, a plătit 34 de miliarde de dolari pentru Red Hat, un furnizor de servicii cloud open-source, în încercarea de a ajunge din urmă Amazon și Microsoft în acest domeniu și de a-și inversa soarta financiară. Strategia sa de a plasa mașinile sale cuantice în cloud și de a construi o afacere plătitoare încă de la început pare menită să îi ofere un avans.
Google a început recent să urmeze exemplul IBM, iar printre clienții săi comerciali se numără acum Departamentul de Energie al SUA, Volkswagen și Daimler. Motivul pentru care nu a făcut acest lucru mai devreme, spune Martinis, este simplu: „Nu aveam resursele necesare pentru a-l pune în cloud”. Dar acesta este un alt mod de a spune că și-a permis luxul de a nu fi nevoită să facă din dezvoltarea afacerii o prioritate.
Dacă această decizie oferă IBM un avantaj este prea devreme pentru a spune, dar probabil că mai important va fi modul în care cele două companii își vor aplica celelalte puncte forte la această problemă în următorii ani. IBM, spune Gil, va beneficia de expertiza sa „full stack” în toate domeniile, de la știința materialelor și fabricarea cipurilor până la deservirea marilor clienți corporativi. Google, pe de altă parte, se poate lăuda cu o cultură a inovației de tip Silicon Valley și cu multă practică în ceea ce privește extinderea rapidă a operațiunilor.
În ceea ce privește supremația cuantică în sine, aceasta va fi un moment important în istorie, dar asta nu înseamnă că va fi unul decisiv. After all, everyone knows about the Wright brothers’ first flight, but can anybody remember what they did afterwards?
Sign inSubscribe now