Γιατί οι κβαντικοί υπολογιστές «ξεχνούν» τα δεδομένα τους

Σύνοψη

• Μια νέα θεωρητική μελέτη του EPFL, αναλύει τον τρόπο με τον οποίο ο εγγενής «θόρυβος» περιορίζει την αποδοτικότητα των σημερινών κβαντικών υπολογιστών.
• Σε βαθιά κβαντικά κυκλώματα, ο θόρυβος του hardware λειτουργεί αθροιστικά, εκμηδενίζοντας σταδιακά την επιρροή των αρχικών βημάτων στον τελικό υπολογισμό.
• Η λειτουργία προσομοιάζει μια τεράστια αλυσίδα από ντόμινο: εξαιτίας των παρεμβολών, μόνο η πτώση των τελευταίων κομματιών έχει πραγματικό αντίκτυπο στο αποτέλεσμα.
• Η έρευνα αποδεικνύει ότι η απλή προσθήκη επιπλέον επιπέδων (layers) στα υπάρχοντα συστήματα, χωρίς αποτελεσματική διόρθωση σφαλμάτων (error correction), δεν προσφέρει επιπλέον υπολογιστική ισχύ για τις περισσότερες εφαρμογές.
• Το συμπέρασμα ξεκαθαρίζει το τοπίο για την ευρωπαϊκή και παγκόσμια αγορά τεχνολογίας, εστιάζοντας τις επενδύσεις στη βελτίωση της ποιότητας των qubits αντί για την απλή αύξηση της ποσότητάς τους.

Η μετάβαση από τη θεωρία της κβαντικής υπεροχής στην πρακτική εφαρμογή αντιμετωπίζει αντικειμενικά εμπόδια που σχετίζονται άμεσα με τη φυσική των συστημάτων. Μια εκτενής έρευνα από επιστήμονες του ελβετικού ινστιτούτου EPFL σε συνεργασία με ευρωπαϊκά ιδρύματα (Freie Universität Berlin, Sorbonne, κ.ά.) οριοθετεί ξεκάθαρα τις δυνατότητες του τρέχοντος κβαντικού hardware.

Η σύγχρονη βιομηχανία βασίζεται στην κατηγορία συσκευών που ονομάζονται NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum). Αυτά τα συστήματα διαθέτουν αρκετά qubits για την εκτέλεση σύνθετων αλγορίθμων, ωστόσο στερούνται ισχυρών μηχανισμών διόρθωσης σφαλμάτων. Οι ερευνητές επικεντρώθηκαν στην μαθηματική ανάλυση αυτού ακριβώς του περιορισμού, μελετώντας τεράστιες οικογένειες κβαντικών κυκλωμάτων που αποτελούνται από απλές πράξεις δύο qubits.

Ο «θόρυβος» στις κβαντικές συσκευές περιγράφει τις ανεπιθύμητες αλληλεπιδράσεις των qubits με το περιβάλλον τους, τη θερμική αστάθεια και τις ατέλειες στους ελέγχους των μικροκυμάτων. Κάθε φορά που ένα qubit εκτελεί μια λογική πύλη, υπάρχει μια μικρή πιθανότητα σφάλματος. Σκοπός της ερευνητικής ομάδας ήταν να αποτυπώσει το πώς αυτά τα απειροελάχιστα σφάλματα συμπεριφέρονται όταν πολλαπλασιάζονται μέσα από εκατοντάδες διαδοχικές πράξεις.

Η επιστημονική ομάδα χρησιμοποίησε μια εξαιρετικά ακριβή αναλογία για να περιγράψει τη συμπεριφορά του θορύβου: την αλυσίδα του ντόμινο. Για να λειτουργήσει ένα πολύπλοκο κβαντικό κύκλωμα, κάθε βήμα πρέπει να ολοκληρωθεί τέλεια, μεταφέροντας την πληροφορία στο επόμενο, όπως ακριβώς ένα ντόμινο πρέπει να χτυπήσει το διπλανό του με τη σωστή γωνία και ταχύτητα.

Όταν ο θόρυβος εισέρχεται στο σύστημα, είναι σαν κάποια ντόμινο να γλιστρούν ή να πέφτουν με ελαφρώς λάθος κατεύθυνση. Σε ένα ρηχό κύκλωμα (με λίγα βήματα), το τελικό ντόμινο θα πέσει. Όμως, σε ένα κύκλωμα με τεράστιο βάθος, οι αποκλίσεις αυτές πολλαπλασιάζονται. Η μαθηματική προσομοίωση έδειξε ότι στα σημερινά «θορυβώδη» κυκλώματα, οι αρχικές λειτουργίες χάνουν εντελώς τη σημασία τους. Όσο αυξάνεται το βάθος του κυκλώματος, ο θόρυβος σταδιακά «σβήνει» την επίδραση των αρχικών βημάτων. Ουσιαστικά, το σύστημα αποκτά «αμνησία» ως προς τις πρώτες εντολές του και μόνο τα τελευταία επίπεδα λογικών πυλών επηρεάζουν τη μέτρηση που λαμβάνει ο τελικός χρήστης.

Ένα από τα πιο σημαντικά ευρήματα αφορά τον τρόπο με τον οποίο προγραμματίζονται τα παραμετροποιημένα κβαντικά κυκλώματα (Parameterized Quantum Circuits – PQCs), τα οποία χρησιμοποιούνται στην κβαντική μηχανική μάθηση και τη χημεία. Ιστορικά, τα πολύπλοκα κυκλώματα εμφάνιζαν τα λεγόμενα “Barren Plateaus”, δηλαδή επίπεδες περιοχές στο τοπίο βελτιστοποίησης, όπου ο αλγόριθμος δεν μπορούσε να βρει κλίση για να βελτιώσει την απόδοσή του.

Η έρευνα αποκάλυψε μια τεχνική ειρωνεία: Ο θόρυβος εξαλείφει μεν την ισχύ των αρχικών σταδίων, αλλά ακριβώς επειδή «κονταίνει» το ουσιαστικό βάθος του κυκλώματος, αποτρέπει τη δημιουργία αυτών των Barren Plateaus. Με απλά λόγια, ένα βαθύ, θορυβώδες κύκλωμα καταλήγει να συμπεριφέρεται μαθηματικά σαν ένα ρηχό κύκλωμα. Αυτό εξηγεί το φαινόμενο όπου οι μηχανικοί μπορούν ακόμα να «εκπαιδεύουν» σημερινούς κβαντικούς επεξεργαστές για να φέρουν εις πέρας απλές εργασίες. Αλλάζοντας τις ρυθμίσεις των τελικών πυλών, λαμβάνουν διαφορετικά αποτελέσματα, οδηγώντας σε μια ψευδαίσθηση ότι το πλήρες βάθος του υπολογιστή λειτουργεί, ενώ στην πραγματικότητα τα αρχικά δεδομένα έχουν αλλοιωθεί ανεπανόρθωτα.

Αυτό καθιστά ορισμένα τμήματα του κβαντικού υπολογισμού πιο εύκολα στην προσομοίωση από κλασικούς υπολογιστές, αναιρώντας εν μέρει το επιδιωκόμενο πλεονέκτημα της κβαντικής ταχύτητας για τις τρέχουσες συσκευές.

Διαθεσιμότητα, αγορά και το μέλλον της Κβαντικής Πληροφορικής

Οι συνέπειες της δημοσίευσης είναι άμεσες για τις εταιρείες τεχνολογίας, τα ερευνητικά κέντρα και τους επενδυτές στην ευρωπαϊκή αγορά. Το βασικό μήνυμα προς τη βιομηχανία είναι ότι η απλή αύξηση του αριθμού των qubits και των λειτουργικών επιπέδων, χωρίς να προηγηθεί η βελτίωση της σταθερότητας τους ή η εφαρμογή θεωρητικών μοντέλων διόρθωσης σφαλμάτων, αποτελεί επένδυση χωρίς πραγματικό αντίκρισμα για σύνθετους υπολογισμούς.

Στην ευρωπαϊκή πραγματικότητα, όπου τα κονδύλια κατευθύνονται στρατηγικά μέσω πρωτοβουλιών όπως το European Quantum Flagship, η συγκεκριμένη έρευνα θέτει τα θεμέλια για πιο ρεαλιστικές αξιολογήσεις. Οι τοπικοί κόμβοι και τα ακαδημαϊκά ιδρύματα λαμβάνουν σαφή οδηγία πως η μηχανική πρέπει να στραφεί στη μείωση του θορύβου ανά λογική πύλη και όχι στο απλό «πακετάρισμα» χιλιάδων ασταθών qubits στο ίδιο chip.

Με τη ματιά του Techgear

Η νέα έρευνα λειτουργεί ως ένας αναγκαίος μηχανισμός προσγείωσης για την αγορά. Τα τελευταία χρόνια, το μάρκετινγκ των μεγάλων τεχνολογικών κολοσσών επικεντρώθηκε στην επίδειξη ολοένα και μεγαλύτερων αριθμών qubits, αγνοώντας το στοιχείο της ποιότητας των υπολογισμών. Το γεγονός ότι ένα βαθύ κβαντικό κύκλωμα στην πράξη εκπίπτει μαθηματικά σε ρηχό λόγω θερμικού και παρεμβατικού θορύβου, αποδεικνύει ότι η τρέχουσα προσέγγιση τύπου “brute force” είναι τεχνικά αδιέξοδη. 

Για τους μηχανικούς και τους ερευνητές, αυτό δεν είναι ήττα, αλλά ξεκαθάρισμα του πεδίου δράσης. Η αναγνώριση του προβλήματος σημαίνει ότι η χρηματοδότηση της Έρευνας & Ανάπτυξης θα κατευθυνθεί εκεί που πρέπει: στη διόρθωση σφαλμάτων, στα τοπολογικά qubits και στα νέα κράματα για ψύξη σε βαθμούς milliKelvin. Ο δρόμος προς τη δημιουργία κβαντικού υπολογιστή ανθεκτικού στα σφάλματα μπορεί να έγινε δυσκολότερος, αλλά τουλάχιστον χαρτογραφήθηκε με ρεαλιστικά και δεδομένα όρια.