19 सेकंड बनाम सुपरकंप्यूटिंग की एक सदी

क्वांटम श्रेष्ठता (quantum advantage) का मतलब है यह दिखाना कि कोई क्वांटम कंप्यूटर ऐसा काम कर सकता है जिसे कोई भी पारंपरिक सुपरकंप्यूटर उचित समय में पूरा नहीं कर सकता। इसका मानक परीक्षण है यादृच्छिक-सर्किट नमूनाकरण (random-circuit sampling): दर्जनों क्यूबिट पर यादृच्छिक रूप से चुने गए क्वांटम गेटों का एक क्रम लागू करना, फिर उन्हें मापना। नतीजा 0 और 1 की लड़ियों की एक धारा है, जो एक ऐसे प्रायिकता वितरण से निकलती है जिसे दोहराने में पारंपरिक कंप्यूटरों को बेहद मशक़्क़त करनी पड़ती है।

एक अहम बात: इस काम का कोई व्यावहारिक उपयोग नहीं है। यह एक बेंचमार्क है — कच्ची कंप्यूटिंग ताक़त मापने की एक स्टॉपवॉच।

दोनों तरफ़ एक दौड़

Sycamore प्रोसेसर ने 53 क्यूबिट के साथ यह दौड़ शुरू की, उसके बाद Zuchongzhi 2.0 और 2.1, 67 क्यूबिट वाला Sycamore, और 83 सक्रिय क्यूबिट वाला Zuchongzhi 3.0 आए। दूसरी तरफ़, पारंपरिक एल्गोरिदम लगातार बेहतर होते रहे और इन प्रयोगों को दोहराने की लागत कई परिमाण-कोटि घटा दी। इसलिए हर दावे को ठीक-ठीक बताना होता है कि उसकी तुलना किस पारंपरिक काम से की जा रही है।

अब तक ये सभी प्रदर्शन समर्पित प्रयोगशाला मशीनों पर हुए, जिन्हें इसी मौक़े के लिए सावधानी से ट्यून किया गया था।

क्लाउड से किराए पर लिया गया प्रोसेसर

स्टार्टअप BlueQubit (सैन फ़्रांसिस्को) की एक टीम ने EPFL और XPRIZE फ़ाउंडेशन के सहयोगियों के साथ एक IBM Nighthawk r2 प्रोसेसर इस्तेमाल किया: 12 × 10 के वर्गाकार ग्रिड पर 120 अतिचालक क्यूबिट। उन्होंने इसे क्लाउड के ज़रिए, IBM के मानक Qiskit टूल से, और बिना किसी ख़ास अंशांकन के इस्तेमाल किया। लेखक IBM से नहीं हैं: उन्होंने मशीन को IBM के स्टार्टअप कार्यक्रम के ज़रिए इस्तेमाल किया और स्पष्ट करते हैं कि उनके विचार IBM के नहीं हैं।

उन्होंने 61 क्यूबिट इस्तेमाल किए — तीन को उनके अंशांकन डेटा की वजह से छोड़ दिया गया — जो 102 कपलरों से जुड़े थे।

नतीजे को सीधे जाँचना असंभव है: यही तो वह काम है जो पारंपरिक कंप्यूटर नहीं कर सकते। इसलिए टीम ने सर्किट की विश्वस्तता (fidelity) के दो स्वतंत्र अनुमान इस्तेमाल किए:

एक “दर्पण” परीक्षण: एक सर्किट चलाना, फिर उसका बिल्कुल उलटा सर्किट, और जाँचना कि क्यूबिट अपनी शुरुआती अवस्था में लौटते हैं या नहीं — किसी सिमुलेशन की ज़रूरत नहीं;
एक “टुकड़ा” परीक्षण: सर्किट को 3 या 4 टुकड़ों में काटना जो सिमुलेट करने लायक़ छोटे हों, और हर टुकड़े को जाँचना।

आँकड़े

दोनों अनुमान मापी गई हर गहराई पर मेल खाते हैं।
प्रति चक्र विश्वस्तता: 0.872, जबकि पहली पीढ़ी के Nighthawk r1 पर 0.836 — 32 से 40 चक्रों के बाद दस गुना से ज़्यादा बेहतर।
संदर्भ बिंदु: 36 चक्र, 918 दो-क्यूबिट गेट, लगभग 0.0023 की विश्वस्तता। दस लाख नमूने 19 सेकंड में एकत्र किए गए।
पारंपरिक तरीक़े से सिर्फ़ एक आउटपुट प्रायिकता निकालने में लगभग 10²² संक्रियाएँ लगती हैं — Frontier सुपरकंप्यूटर के लगभग दो दिन।
वही दस लाख नमूने पारंपरिक तरीक़े से बनाना: लगभग 1.2 × 10²⁷ संक्रियाएँ, यानी Frontier पर लगभग 110 साल।
पूरे प्रयोग में लगभग 11 मिनट का क्वांटम कंप्यूटर समय लगा।
ज्ञात पारंपरिक “चालबाज़ियाँ” — स्कोर की नक़ल के लिए सर्किट को टुकड़ों में काटना — मापे गए स्कोर से कम से कम दस गुना पीछे रह जाती हैं।

बारीक शर्तें

110 साल का आँकड़ा एक ख़ास पारंपरिक एल्गोरिदम के लिए अनुमान है, कोई निरपेक्ष सीमा नहीं। यह असीमित मेमोरी मानता है, जो पारंपरिक पक्ष के हक़ में जाता है। दूसरी विधियाँ — कई प्रायिकताओं में काम का दोबारा इस्तेमाल, अनुमानित सिमुलेशन — लागत घटा सकती हैं। और लेखक लिखते हैं कि इस बेंचमार्क का इतिहास बताता है कि इनमें से कुछ ऐसा करेंगी।

ऐसा बेंचमार्क जिसे कोई भी दोबारा चला सकता है

लेखकों के अनुसार, यह एक व्यावसायिक, व्यापक रूप से सुलभ प्रोसेसर पर मानक यादृच्छिक-सर्किट नमूनाकरण में क्वांटम श्रेष्ठता का पहला प्रदर्शन है, जिसे ज़्यादातर ग़ैर-विशेषज्ञ उपयोगकर्ता दोहरा सकते हैं। सर्किट, डेटा — दस लाख नमूनों सहित — और कोड सार्वजनिक हैं।