Postavil som simulátor českého kvantového počítača. Teraz si ho môžete zadarmo vyskúšať z domu

Pred piatimi dňami som prvýkrát poslal obvod na skutočný kvantový počítač VLQ v Ostrave. Dnes už mám za sebou 24 ostrých jobov, stovky obvodov, niekoľko veľmi presných meraní, pár užitočných slepých uličiek a jednu nepríjemnú odpoveď: môj pôvodný vlajkový experiment by na súčasnom hardvéri nepriniesol prelom, ale sebavedomo chybný výsledok.

To nie je neúspech. To je presne výsledok, ktorý má dobrý experiment priniesť skôr, než minú celý rozpočet.

Medzitým som si postavil VLQ Lab, interaktívny simulátor konkrétneho českého kvantového počítača. Vie skladať a prekladať obvody, ukázať tok amplitúd, načítať dennú kalibráciu, odhadnúť chyby aj cenu na QPU a porovnať predpoveď s tým, čo sa skutočne vrátilo zo stroja.

Môžete si ho rovno otvoriť na qlab.alphai.cz. Prihlásiť sa môže ktokoľvek cez Google alebo ľubovoľným e-mailom. Samotný simulátor beží v prehliadači a je zadarmo bez obmedzenia; limity sa týkajú len serverových funkcií Alfa vlka a čítania nahlas.

Pre netechnických čitateľov stačia štyri pojmy. Qubit nie je „nula a jednička zároveň“, ale stav, ktorý si možno predstaviť ako šípku v priestore. Hradlo je operácia, ktorá stav zmení. Previazanie znamená, že dva qubity majú spoločný opis, aj keď každý zvlášť vyzerá náhodne. A shot je jedno spustenie obvodu a jedno prečítanie výsledku; preto sa rovnaký obvod opakuje tisíckrát.

VLQ Lab si môže vyskúšať každý

Prístup už nie je obmedzený whitelistom. Po prihlásení získa každý celý simulátor a základnú možnosť používať sprievodcu:

Aktuálne limity sa zobrazujú po prihlásení. Kto potrebuje širší prístup na výučbu, výskum alebo vlastné experimenty, môže ma kontaktovať.

Prihlásenie funguje cez Google aj jednorazovým odkazom zaslaným na ľubovoľný e-mail.

Kto to platí? VLQ Lab je bezplatný a bez reklám. Verejná alokácia EuroHPC pokrýva strojový čas na VLQ. Vývoj simulátora, server, doménu, hlas a jazykový model Alfa vlka hradí Alpha Industries s.r.o. Z prideleného výpočtového času sa nefinancuje ani jedna otázka pre vlka. Limity chránia súkromne hradenú prevádzku a pomáhajú rozdeliť ju medzi čo najviac ľudí.

Prečo som nezačal obvodom, ale simulátorom

V projekte EU-26-106 mám cez EuroHPC pridelených 50 000+ QPU sekúnd. Skúmam, či je možné výber panelu jazykových modelov formulovať ako kvadratickú optimalizačnú úlohu a či by s ňou mohol pomôcť kvantovo-klasický algoritmus QAOA.

Na konci augusta som na fyzický stroj odoslal 24 jobov. Už táto prvá séria ukázala veci, ktoré zásadne menia ďalší plán, hoci využila len malú časť prideleného času.

Najskôr som potreboval prostredie, kde je možné robiť chyby zadarmo. Bežný ideálny simulátor totiž ignoruje presne to, čo pri dnešných kvantových zariadeniach rozhoduje: šum, dekoherenciu, čítacie chyby, topológiu čipu a skutočný preklad obvodu.

VLQ Lab preto nesimuluje abstraktný kvantový počítač. Snaží sa modelovať konkrétny 24qubitový VLQ, postavený spoločnosťou IQM a prevádzkovaný IT4Innovations v Ostrave.

Doska: uprostred nie je qubit

Dvadsaťštyri supravodivých qubitov okolo rezonátora CR1. Farba vyjadruje kvalitu podľa zvolenej dennej kalibrácie, zelene sú qubity aktuálnej úlohy a krížik označuje dočasne nedostupný prvok.

VLQ pracuje približne pri 10 milikelvinoch, teda asi stotinu stupňa nad absolútnou nulou. Jeho architektúra pripomína hviezdicu. Uprostred nie je ďalší qubit, ale rezonátor CR1, ktorý funguje ako prestupná stanica.

Keď majú dva qubity vykonať spoločnú operáciu, stav jedného sa hradlom MOVE presunie do rezonátora, tam prebehne CZ a stav sa vráti. Výhoda je elegantná: všetky qubity sú z hľadiska prepojenia rovnako ďaleko. Nevýhoda je nemenej dôležitá: rezonátor je len jeden, takže dvojqubitové operácie sa cez neho radia za seba.

Práve táto vlastnosť nakoniec vysvetlila väčšinu rozdielov medzi prvou verziou simulátora a fyzickým strojom.

Stavebnica: čo stroj naozaj vie

Paleta dovoľuje hradlá preťahovať alebo vkladať kliknutím. Tyrkysová vie VLQ priamo, fialová sa musí preložiť cez rezonátor.

Užívateľ môže obvod naklikať podobne ako stavebnicu. Simulátor ale ihneď rozlišuje medzi tým, čo kreslíme a tým, čo hardvér vie fyzicky vykonať. Natívna sada VLQ je prekvapivo malá: PRX, RZ, CZ a MOVE. Hadamard, CNOT, SWAP a ďalšie učebnicové hradlá sa musia rozložiť.

CNOT je v učebnici jedna značka. Na hviezdici VLQ znamená dve Hadamardove hradlá, dve cesty MOVE a jedno CZ.

MOVE prenáša stav qubitu do rezonátora a späť. Je to špecialita hviezdicovej architektúry IQM a súčasne jej najvyťaženejšia časť.

Na karte každého hradla je popis, matica, Diracov zápis a skutočná cena prekladu. To nie je len učebnicová ozdoba. Obvod s dvadsiatimi logickými hradlami môže po preklade obsahovať stovky fyzických operácií a mať úplne iné správanie, než naznačuje jeho kresba.

Tok amplitúd: vidieť, odkiaľ sa odpoveď vzala

Bellov stav krok za krokom. Dráhy ukazujú, kam tečie amplitúda; čiarkované vetvy sa vyrušia. Dole sú výsledné pravdepodobnosti a Blochove sféry oboch qubitov.

Histogram na konci ukáže, čo vyšlo. Tok amplitúd ukazuje, prečo. Po Hadamardovom hradle sa stav rozdelí, CNOT spojí vetvu 00 s 11 a interferujúce cesty sa môžu navzájom posilniť alebo zrušiť.

Toto je podľa mňa lepšie vysvetlenie kvantového výpočtu ako obľúbená veta, že počítač „skúsi všetky možnosti naraz“. Samotné vyskúšanie možností nepomôže. Algoritmus musí zariadiť, aby sa amplitúdy zlých odpovedí vyrušili a správne posilnili.

Koľko bude experiment stáť

VLQ Lab rozlišuje hradlový čas, dobu postprocessingu, minimálnu cenu jobu aj počet shotov. Rozvrh počíta so serializáciou dvojqubitových operácií cez CR1.

Účtovanie ma spočiatku prekvapilo. Neplatí sa wall-clock ani samotný čas hradiel. Podľa dokumentácie IT4I je horný odhad približne 400 mikrosekúnd za shot: do 50 mikrosekúnd pre obvod a zhruba 350 mikrosekúnd postprocessingu. Každý odoslaný job má navyše minimálnu cenu 0,9 QPU sekundy.

Z toho plynie praktická hranica: 2 250 shotov na job. Pod ňou zaplatím rovnako, aj keď urobím menej práce. Preto obvody dávkujem. Osem obvodov Bellovho testu po 320 shotoch sa vošlo do jediného jobu za minimálnu účtovanú cenu. Poslať ich samostatne by bolo mnohonásobne drahšie.

Môj denník pritom neskrýva ani nepodarené behy. Najväčšia lekcia bola jednoduchá: najskôr transpilovať a validovať lokálne cez IQMFacadeBackend, až potom odosielať na QPU. Vďaka lokálnej kontrole možno väčšinu chýb zachytiť skôr, než začnú čerpať pridelený čas.

Štyri kroky, v ktorých sa model naučil realitu

1. Historická kalibrácia prestala predpovedať súčasnosť

Začal som s užitočným repozitárom JiriTomcala/FakeVLQ, ktorý zverejnil Jiří Tomčala z IT4I. Obsahuje tri snímky reálnej kalibrácie z marca a mája a generátor šumového profilu.

Keď som 26. augusta porovnal májovú snímku s aktuálnym meraním, korelácia bola len +0,015 a v najlepšej pätici sa neprekrýval ani jeden qubit. Nie je to chyba repozitára; je to dôkaz driftu hardvéru. Staré kalibrácie sú skvelé na štúdium zmien, nie na výber dnešných qubitov.

Simulátor preto pri štarte načíta živú verejnú kalibráciu VLQ. Verejné API ukazuje súčasný stav a vie vrátiť konkrétnu kalibráciu podľa ID, ale neponúka prehľad celej histórie. Ak si človek snímku včas neuloží, neskôr ju už nemusí nájsť. Tri jarné snímky vo FakeVLQ sú preto cenným verejným záznamom driftu. Odteraz archivujem aj vlastné kalibrácie.

2. Model bol na malých obvodoch pesimistický a na väčších optimistický

Na dvoch a štyroch qubitoch bol hardvér lepší, než simulátor čakal. Na ôsmich qubitoch už horšie. Model teda nevedel zachytiť, ako rýchlo kvalita padá so šírkou obvodu.

3. Qubit starne podľa celkových hodín

Chyba bola v mojom modeli dekoherencie. Každý qubit starol iba počas svojich vlastných hradiel. V skutočnosti však čaká po celý čas, keď ostatné qubity postupne prechádzajú jediným rezonátorom.

Typický šesťqubitový obvod s 24 hradlami CZ trval 5,25 mikrosekundy, zatiaľ čo prvý model každému qubitu započítal len 1,18 mikrosekundy. Po oprave klesla predpovedaná retencia z 0,48 na 0,18, teda do rovnakého rádu ako nameraných 0,16. Nie je to priame porovnanie: model používal marcovú kalibráciu s p = 2, zatiaľ čo meranie z 26. augusta prebehlo s p = 1. Dôležité je, že sa model po oprave pohol správnym smerom.

4. Zrkadlové obvody odhalili zákon škálovania chyby

Pri zrkadlovom teste pustíme náhodný obvod U a hneď jeho inverziu U†. Správny výsledok je vždy |0…0⟩, takže sa nedá schovať za voľbu metriky.

Hodnota 1,36 % teda nie je chybou samotného CZ. Odhaduje celú zloženú logickú operáciu na dvojici qubitov: CZ 0,61 % + 2× MOVE 0,38 %.

Chyba operácie nie je univerzálna konštanta. Keď sa obvod zväčší, hradlo blokuje rezonátor a všetky ostatné qubity medzitým dekoherujú. Nejde len o vlastnosť hradla, ale celého obvodu: čím viac qubitov čaká, tým drahšia je každá dvojqubitová operácia. V mojom režime bolelo pridanie qubitu viac ako pridanie jedného ďalšieho hradla.

Čo sa podarilo

Bellova nerovnosť: 9,6 sigma nad klasickou medzou

Bellov test meria štyri kombinácie natočených báz. Ich korelácia sa zloží do jediného čísla S s tvrdou klasickou hranicou 2.

Na najlepšej dvojici som nameral S = 2,763 ± 0,079. To je 9,6 smerodajnej odchýlky nad klasickou hranicou 2 a 97,7 % Tsirelsonovho kvantového maxima 2√2.

Najhoršia zvolená dvojica vyšla na S = 2,144. Aj ona hranicu prekročila, ale podstatne menej. Simulátor tak dokáže vedľa výkladu ukázať, prečo čerstvá kalibrácia a voľba konkrétnej dvojice stále zohrávajú úlohu.

Najlepší qubit zodpovedal publikovanej úrovni

Pri qubite QB5 som odhadol jednouqubitovú vernosť 99,936 %. Pre porovnanie IQM pri sesterskom systéme Deneb publikuje 99,94 %. Nejde o plnohodnotný nezávislý benchmark celého zariadenia, ale o povzbudzujúcu kontrolu, že najlepšia časť čipu dosahuje očakávanú úroveň. Rozptyl medzi qubitmi bol však približne 9,5-násobný.

Registrovaná predikcia sa konečne trafila

Pri poslednom previazanom vzorkovači som pred behom zapísal predpoveď korelácie 0,284. Stroj vrátil 0,270. Kontrolný obvod bez previazania dal −0,000 ± 0,014, takže signál nebol jednoduchým artefaktom čítania.

Výsledková záložka ukazuje pravdepodobnosť optima, retenciu, vzdialenosť od ideálnej distribúcie i počet shotov. Čísla zo simulácie a zo stroja sú vždy označené zvlášť.

Čo nevyšlo a prečo je to užitočnejšie

Pôvodný vlajkový experiment mal pustiť panel dvanástich kandidátov: 66 väzieb a po preklade 132 hradiel CZ. Odhadovaná cena bola okolo 400 QPU sekúnd.

Než som ho spustil, urobil som lacný scan hĺbky. Pri 132 hradlách vyšla korelácia so správnym riešením r = −0,75, teda 26 sigma pod nulou. Obvod nevracal náhodný šum; systematicky preferoval zlé riešenia.

Pôvodný experiment som preto neposlal. Za zlomok plánovaného času som zistil, že súčasný hardvér je pre túto hĺbku za hranou použiteľnosti.

Druhá studená sprcha bola metodická. Malé koaličné inštancie majú päť až šesť qubitov, teda najviac 63 neprázdnych podmnožín. Presný klasický riešič ich vyskúša za mikrosekundy. Na 50 sporných otázkach z odloženej testovacej sady, pri ktorých odpovedali všetky konfigurácie, bola koaličná formulácia lepšia trikrát a horšia ani raz. Výsledok však nie je štatisticky preukazný (p = 0,125). Pri čisto lokálnom paneli nezmenila ani jednu odpoveď.

To neznamená, že kvantová optimalizácia nemá zmysel. Znamená to, že najprv musí uspieť samotná formulácia problému proti jednoduchým klasikám. Kvantový počítač nemôže zachrániť zle položenú otázku.

Alfa vlk učí, ale nevymýšľa si fyziku

V Škole má každá úloha cieľ, obmedzenú paletu hradiel a automatickú kontrolu. Alfa vlk radí na začiatku, po vyriešení alebo na vyžiadanie.

Alfa vlk sprevádza záložkou Škola. Používateľ nedostane len prázdne plátno, ale konkrétnu úlohu, obmedzenú sadu hradiel a kontrolu výsledku. Môže si tak prejsť cestu od prvého otočenia qubitu až po previazanie a interferenciu.

Základné výukové hlášky vlka sú napísané a overené vopred. Nie sú generované jazykovým modelom za behu. Pri kvantovej mechanike je presnosť dôležitejšia ako nekonečná variabilita a sprievodca musí všetkým hovoriť konzistentnú fyziku. Vedľa toho je dostupná voliteľná funkcia Opýtať sa vlka, ktorá používa AI; práve na ňu sa vzťahujú denné limity.

Základy bez skratiek, ktoré sa potom musia odnaučovať

Každá kapitola končí odkazom na funkciu, kde si možno popísaný jav rovno vyskúšať.

V Základoch zámerne nepíšem, že qubit je jednoducho nula a jednička zároveň alebo že kvantový počítač slepo skúša všetky možnosti. Takéto prirovnania sú pútavé, ale rýchlo prestanú stačiť. Výklad prepájam so stavebnicou, Bellovým testom a tokom amplitúd, aby každé tvrdenie malo pozorovateľný dôsledok.

Päťdesiatpäť zdrojov, z toho 53 s overeným odkazom

Prvá skupina zdrojov pokrýva VLQ: dokumentáciu prístupu a účtovania, kalibračné API, klient qaas, FakeVLQ aj prvé projekty na stroji.

K 30. augustu je v aplikácii 55 zdrojov v ôsmich skupinách. Pri 53 z nich som odkaz ručne otvoril a overil. Dve odporúčané knihy od Michia Kakua a Davida Deutscha odkaz nemajú:

• 9 zdrojov priamo k VLQ,
• 5 článkov k hviezdicovej architektúre,
• 7 voľne dostupných českých a slovenských materiálov,
• 4 miesta, kde si možno kvantové výpočty vyskúšať,
• 11 zdrojov k priesečníku AI a kvantových výpočtov,
• 10 katalógov algoritmov a aplikácií,
• 3 texty o možnostiach a limitoch NISQ zariadení,
• 6 odporúčaných kníh.

Pri každom odkaze vysvetľujem, prečo v zozname je a aké má obmedzenia. Samotný zoznam odkazov si dnes vytvorí vyhľadávač; užitočné je až kritické čítanie.

Veľkú zásluhu na tom, že som sa k stroju vôbec dostal, majú otvorené nástroje českého tímu: Quantum as a Service od IT4Innovations, spomínaný FakeVLQ, dokumentácia VLQ a verejné kalibračné API. Vďaka nim je kvantum ako služba praktická vec, nie marketingová metafora.

AI a kvantové počítanie vedú dvoma smermi

Vľavo sú pokusy použiť kvantové výpočty pre strojové učenie, vpravo metódy AI, ktoré pomáhajú navrhovať, kalibrovať a opravovať kvantové stroje.

Kvantum pre AI je hlasnejší smer: kvantové jadrá, variačné klasifikátory alebo kvantové neurónové siete. Pri klasických dátach naráža na drahé nahrávanie vstupu do kvantového stavu a na šum dnešných zariadení.

AI pre kvantové stroje je menej nápadná, ale má pevnejšie výsledky. Neurónové dekodéry pomáhajú s korekciou chýb, posilňované učenie hľadá lepšie obvody a modely sa učia šum konkrétneho zariadenia. Práve týmto smerom ide aj moja kalibrácia simulátora podľa nameraných behov.

Mapa prepája osem odborov s konkrétnymi algoritmami a upozorňuje na hranice súčasných demonštrácií. Annealer D-Wave napríklad nie je to isté ako hradlový VLQ.

Simulátor v pohybe

Najlepšie je tok amplitúd, otáčanie Blochovej sféry a beh so skutočným šumom vidieť vo videu:

Otvoriť video priamo na YouTube

Kde som dnes

Mám za sebou 24 ostrých jobov. Zmeral som Bellovu nerovnosť 9,6 sigma nad klasickou hranicou, opravil model času dekoherencie a zastavil experiment, ktorý by bol drahý a bezcenný. Zároveň som si overil, že niektoré otázky sa dajú vyriešiť presne klasicky skôr, ako potrebujem kvantový hardvér.

Najcennejší výsledok preto nie je jedno číslo. Je to návyk zapísať predikciu pred behom, uchovať aj nepodarené joby a po každom rozpore opraviť model miesto príbehu.

Ak vás kvantové počítanie láka, začnite na qlab.alphai.cz záložkou Základy, postavte si obvod v Stavebnici a nakoniec sledujte Tok amplitúd. Nemusíte inštalovať Qiskit ani stáť pri kryostate v Ostrave. Stačí prehliadač a chuť nechať si občas vyvrátiť vlastnú predstavu.

Kvantové počítače dnes nevedia skoro nič z toho, čo sa o nich často píše. Ale to, čo naozaj vedia, je merateľné, overiteľné a poriadne zvláštne. A jeden takýto stroj stojí v Ostrave.

Odkazy a zdroje

Na ďalšie štúdium odporúčam začať pri pôvodných materiáloch, z ktorých som vychádzal pri stavbe a meraní:

VLQ a prístup: prehľad VLQ od IT4Innovations, návod k prístupu, účtovanie QPU času, živá kalibrácia, Quantum as a Service a FakeVLQ.

Architektúra a chyby: procesor s qubit-rezonátorovou hviezdicou, detekcia kvantových chýb v tejto architektúre, pravdepodobnostná korekcia chýb a delenie kvantových obvodov pre hybridné HPC.

Možnosti a limity: Quantum Algorithm Zoo, prehľad aplikácií a celkovej zložitosti, výzvy kvantovej optimalizácie a triezvy pohľad Scotta Aaronsona na kvantové strojové učenie.

AI a kvantové počítanie: AlphaQubit, optimalizácia obvodov pomocou AlphaTensor, sila dát v kvantovom strojovom učení a otázka, či je kvantová výhoda správnym cieľom QML.

Všetkých 55 zdrojov s krátkym komentárom je vo VLQ Lab v záložke Zdroje.

Poďakovanie ľuďom

Ďakujem Jakubovi Siwekovi, že ma priviedol k tomu, aby som sa začal vážne venovať kvantovému počítaniu, a sprostredkoval mi prvé stretnutie s profesorom. Zuzane Lichovníkovej z IT4Innovations ďakujem za rýchle odpovede na moje otázky a za pomoc vždy, keď som ju pri práci s prístupom k VLQ potreboval.

Ďakujem tiež EuroHPC, IT4Innovations a celému českému tímu, ktorý sprístupňuje VLQ ako službu. Vďaka ich práci netreba na použitie českého kvantového počítača kufor plný káblov. Stačí schválený projekt, účet a dobre pripravený obvod.

Financovanie a pôvod práce

Výpočtový čas na kvantovom počítači VLQ bol pridelený môjmu projektu EU-26-106 prostredníctvom EuroHPC. Práca využíva podporu Ministerstva školstva, mládeže a telovýchovy Českej republiky prostredníctvom e-INFRA CZ (ID: 90254). Táto podpora sa týka výpočtovej infraštruktúry a strojového času na VLQ a LUMI, nie vývoja ani prevádzky aplikácie.

Alpha Industries s.r.o. financuje VLQ Lab, jeho prevádzku, doménu, sprievodcu Alfa vlka aj čítanie nahlas. Aplikácia je bezplatná, bez reklám a nič nepredáva. Vytvoril som ju preto, že českých materiálov o kvantovom počítaní je málo a chcel som, aby si ich mohol ktokoľvek vyskúšať bez inštalácie.

Simulátor a experimentálne analýzy sú moja vlastná práca. Kalibračné údaje pochádzajú z verejného API IT4Innovations.