Claude li estalvia portes a l'ordinador quàntic

Un avaluador que posa nota

Segons Anthropic, Claude va rebre descripcions en llenguatge planer de vuit circuits de química, optimització, simulació física i teoria de nombres, a més d'un avaluador automàtic que comprova cada disseny i el puntua: qubits multiplicats per portes, una mesura aproximada de quant trigaria a executar-se.

Segons Andi Gu i els seus coautors, en set de les vuit tasques els circuits trobats redueixen alhora portes Toffoli i qubits respecte del millor que s'havia publicat. En la vuitena, la inversió modular en cos primer, la cerca va trobar una arquitectura reversible nova que millora l'equilibri entre tots dos recursos.

La suma de punts, primer examen

Segons Anthropic, la suma de punts és el pas central dels algoritmes quàntics per al logaritme discret en corbes el·líptiques, un problema que, en corbes grans, un ordinador normal no resol en un temps raonable. Gairebé tot el seu cost és a la inversió modular, la versió de la divisió en una aritmètica en què els nombres tornen a començar quan arriben a un límit.

Els ordinadors normals la calculen amb un mètode anomenat divsteps, però un circuit quàntic, que s'ha de poder executar cap enrere, havia de guardar quina operació s'havia triat a cada volta: la informació de branca (branch information). Segons Anthropic, Claude va deduir que la podia «descodificar» a partir del mateix parell de nombres, va demostrar identitats algebraiques noves, ho va comprovar amb simulacions i ho va formalitzar en Lean.

El resultat, segons Anthropic, és la primera implementació reversible de divsteps sense historial de branca guardat, després de 53 hores de feina amb una intervenció humana limitada a l'encàrrec inicial i a algun avís per ampliar la cerca. Andi Gu i els seus coautors afirmen, per la seva banda, que la descodificació de branques i una assignació acotada de recursos fan pràctic l'algoritme divsteps per a la inversió modular reversible, i que un circuit complet de benchmark construït sobre aquesta inversió fa servir 4,0 milions de portes Toffoli i 935 qubits.

Una família de dissenys, no un guanyador absolut

Segons Anthropic, ajustant quan el circuit guarda la informació de branca i quan la descodifica, Claude va obtenir una família de dissenys. Respecte de l'anterior més petit, un d'ells fa servir un 12 % més de qubits però 17 vegades menys portes, i el conjunt ofereix combinacions de qubits i temps de càlcul que abans no existien.

Segons Andi Gu i els seus coautors, el disseny de divsteps necessita menys qubits que el de Schrottenloher, però més portes Toffoli, i el seu cost TQ, el producte de totes dues xifres, és pitjor. És un punt nou en l'equilibri entre memòria i temps, no un circuit millor en tot.

Un descodificador 12 vegades més barat

Segons Anthropic, Claude va veure que l'algoritme d'Euclides estès encaixava malament en un circuit quàntic i el va substituir pel mètode de Berlekamp-Massey, que repeteix el mateix tipus de pas a cada ronda. A més, reconstrueix gairebé tota la informació temporal a partir de l'estat del circuit, en lloc de guardar-la.

Reservar memòria per al pitjor cas hauria costat 665 qubits. Claude va escriure un simulador, va executar 403 milions de descodificacions de prova i va deixar la reserva en 19 qubits; aproximadament una execució de cada 10.000 falla, dins de l'error que admet la tasca. Anthropic sosté que, en conjunt, el descodificador fa servir 12 vegades menys portes que la construcció prèvia de Google.

Vuit anys contra 53 hores

Segons Anthropic, el 2017 es calculava que obtenir l'energia de l'estat fonamental del FeMoco, el clúster de ferro i sofre de la nitrogenasa, exigiria uns 50 bilions de portes Toffoli; avui l'estimació ronda els 340 milions, unes 150.000 vegades menys, després de vuit anys de feina de molts grups. El disseny de corba el·líptica de Claude va sortir d'una sola execució de 53 hores.

També hi va haver límits: segons Anthropic, Claude era conservador, tornava a comprovar resultats ja sòlids i preferia mètodes coneguts, de manera que va caldre exigir-li diverses vies diferents en paral·lel i, de vegades, demanar-li que ampliés la cerca.

Segons Anthropic, Andi Gu va dirigir el treball dins del seu programa STEM Fellows, amb la mentoria d'Alek Kemeny, especialista en física quàntica d'Anthropic, i en col·laboració amb Susanne Yelin i Mikhail Lukin, de la Universitat de Harvard. QuEra Computing es presenta com a desenvolupadora d'ordinadors quàntics d'àtoms neutres; Mikhail Lukin forma part del seu equip fundador i n'ocupa la direcció científica.