Что такое квантовое превосходство?
Концепция квантовых систем была впервые предложена российским математиком Юрием Маниным в 1980 году. Однако именно Ричард Фейнман задумал возможность создания квантовых компьютеров в начале 1980-х годов.
Фейнман выдвинул идею о том, что квантовые компьютеры будут эффективны в решении задач химии и физики. Современные компьютеры используют двоичную логику для выполнения задач, но если мы будем использовать правила квантовой механики, многие сложные вычислительные задачи станут выполнимыми.
В 2012 году американский физик-теоретик Джон Прескилл придумал термин «квантовое превосходство» для описания системы, значительно превосходящей классические компьютеры. Он предвещает эру шумных квантовых устройств промежуточного масштаба (Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISO).
В этой обзорной статье мы объясним, какое значение будет иметь «квантовое превосходство», чего технологические компании достигли на данный момент, почему это так важно. Давайте начнем с основ.
Что такое квантовое превосходство?
Это включает инженерные задачи по разработке мощной квантовой машины, а также вычислительно-теоретическую задачу классификации вычислительных задач, которые могут быть решены с помощью этого квантового компьютера.
Квантовое превосходство является важным шагом на пути к более мощным и полезным вычислениям. Было сделано несколько предложений, чтобы продемонстрировать квантовое превосходство. Наиболее заметными из них являются:
Как мы скажем об уверенности в том, что квантовое превосходство было достигнуто?
Вы должны точно продемонстрировать две вещи, чтобы проверить квантовое превосходство:
Вторая часть довольно сложная. Оказывается, классические компьютеры могут выполнять определенные типы задач очень эффективно (лучше, чем ожидали ученые). Пока не доказано, что классический компьютер не может эффективно выполнять конкретную задачу, всегда есть шанс, что существует более эффективный, лучший классический алгоритм. Доказательство того, что такого классического алгоритма нет, может быть спорным, и на это может уйти много времени.
Битва за создание квантового компьютера
Уже несколько лет существуют рабочие квантовые устройства, но они превосходят классические компьютеры только при определенных условиях. Большинство задач, выполняемых этими квантовыми машинами, даже не используются в повседневной жизни.
В 2016 году Google разработал полностью масштабируемое квантовое моделирование молекулы водорода с использованием 9-кубитного квантового чипа. В 2017 году Intel изготовила 17-кубитный сверхпроводящий тестовый чип для квантовых вычислений, а IBM подняла планку, выпустив 50-кубитный чип, который мог сохранять свое квантовое состояние в течение 90 микросекунд.
17-кубитный сверхпроводящий тестовый чип, разработанный Intel
D-Wave Systems, хорошо финансируемая канадская компания, занимающаяся квантовыми вычислениями, остается исключением. В 2015 году в лаборатории квантового искусственного интеллекта НАСА был установлен 2-кратный квантовый компьютер с более чем 1000-ю квантовыми разрядами. Компания поставляла системы с 2048 кубитами. В их устройствах используется альтернативный метод, называемый квантовым отжигом, для решения очень специфических задач.
Совершенно неожиданно к концу 2019 года исследователи Google объявили, что достигли квантового превосходства. Они разработали 54-кубитный процессор Sycamore, который выполнял целевое вычисление (вычисление случайной выборки) за 200 секунд.
Согласно данным исследовательской группы, классическому суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет для выполнения тех же вычислений. Такое существенное увеличение скорости (по сравнению с классическими алгоритмами) является экспериментальной реализацией квантового превосходства для этой конкретной задачи.
Что они сделали?
Чтобы продемонстрировать квантовое превосходство, Google решил решить конкретную проблему под названием «случайная выборка схем». Простым примером задачи случайной выборки является программа, имитирующая бросок честного кубика.
Программа будет работать точно, если будет правильно отбирать все возможные результаты. Это означает, что программа должна генерировать каждое число на матрице 1/6 времени, так как оно выполняется многократно.
В реальном сценарии, вместо размещения кристалла, компьютер должен правильно выбирать все возможные выходы случайной квантовой цепи. Эта последовательность действий выполняется на куче кубитов. Когда кубиты проходят через цепь, ее состояние запутывается (также известное как квантовая суперпозиция).
Например, когда схема воздействует на 54 кубита, это приводит к тому, что 54 кубита являются суперпозицией 2 54 возможных состояний в конце схемы. Это означает, что набор из 2 54 возможностей сворачивается в одну строку из 54 битов. Это как бросить кубик, но вместо 6 возможных результатов вы получаете 2 54 результата, и не все из них с одинаковой вероятностью.
Серии выборок из этой случайной схемы (после правильного распределения) могут быть эффективно сгенерированы на квантовых компьютерах. Однако не существует классического алгоритма создания этих образцов на суперкомпьютерах нового поколения. Таким образом, по мере увеличения количества образцов цифровые суперкомпьютеры быстро перегружаются вычислениями.
В этом эксперименте исследователи Google запускали случайные упрощенные схемы от 12 до 53 кубитов, сохраняя постоянным количество циклов вентилей (квантовый логический элемент). Затем они использовали классическое моделирование для проверки производительности квантового компьютера и сравнили его с теоретической моделью.
Как только они подтвердили, что система работает правильно, они запустили случайную жесткую схему с 53 кубитами и увеличенными циклами вентилей, пока не достигли точки, когда классическое моделирование стало неработоспособным.
Процесс демонстрации квантового превосходства
Эксперимент проводился на полностью программируемом 54-кубитном чипе Sycamore. Он содержит двумерную сетку, в которой каждый кубит присоединен к 4 другим кубитам, что обеспечивает достаточную связь для состояний кубита (поэтому они мгновенно взаимодействуют во всем процессоре) и делает невозможным выполнение тех же вычислений на классических компьютерах.
Чтобы достичь такого уровня производительности, они использовали новый вид ручки управления, которая могла отключать взаимодействие между соседними кубитами, значительно уменьшая ошибки в многосвязной системе кубитов. Они также разработали новые управляющие калибровки, чтобы избежать дефектов кубитов, и оптимизировали конструкцию чипа для снижения перекрестных помех, что еще больше улучшило производительность квантового чипа.
Действительно ли Google достиг квантового превосходства?
Чип Sycamore от Google хранится в охлажденном состоянии внутри квантового криостата.
Хотя Google утверждал, что добился квантового превосходства и классическому суперкомпьютеру потребуется около 10 000 лет для выполнения эквивалентной задачи, IBM оспорила это утверждение, заявив, что идеальная симуляция одной и той же задачи может быть выполнена на классическом компьютере за 2,5 дня с гораздо большей точностью.
Эксперимент Google не следует рассматривать как доказательство того, что квантовые устройства «превосходят» классические компьютеры. Тем не менее он прекрасно демонстрирует прогресс в квантовых вычислениях на основе сверхпроводников, демонстрируя ультрасовременную точность воспроизведения на 53-кубитной системе.
Заголовки, содержащие некоторые вариации «достигнутого квантового превосходства», бросаются в глаза и интересны для чтения, но они полностью вводят в заблуждение широкую публику.
Согласно определению квантового превосходства, цель не достигнута. И даже если кто-то продемонстрирует это в ближайшем будущем, квантовые компьютеры никогда не будут господствовать «выше» над классическими компьютерами. Вместо этого квантовые системы будут работать бок о бок с классическими суперкомпьютерами, поскольку каждый из них обладает своими уникальными достоинствами и преимуществами.
Применение и будущее
Последние достижения в области квантовых вычислений вдохновили целое поколение компьютерных ученых и физиков на фундаментальные изменения в информационных технологиях.
В настоящее время ученые работают над отказоустойчивыми квантовыми машинами, которые смогут исправлять ошибки вычислений в реальном времени, обеспечивая безошибочные квантовые вычисления. Учитывая текущее состояние дел в квантовых вычислениях, до реализации этой цели еще несколько лет.
Технологические компании инвестируют сотни миллионов долларов в разработку отказоустойчивых квантовых устройств в кратчайшие сроки. Однако, большой вопрос заключается в том, должны ли квантовые машины быть отказоустойчивыми, прежде чем они смогут выполнять полезную задачу.
Такие машины обещают множество ценных применений. Например, квантовые вычисления могут улучшить прогнозирование погоды, усилить кибербезопасность и помочь в разработке новых материалов для самолетов и легких батарей транспортных средств. Они могут точно отображать отдельные молекулы, что, в свою очередь, потенциально может открыть возможности для фармацевтических исследований.
Это также может оказать сильное влияние на банковский сектор. Квантовые вычисления могут решать финансовые вопросы, связанные с оптимизацией инвестиционной стратегии, которая включает в себя анализ огромного количества комбинаций портфелей для определения наиболее подходящих критериев или для распознавания мошеннических транзакций.
В настоящее время трудно предсказать, какие отраслевые квантовые вычисления окажут наибольшее влияние, так как они были протестированы на очень ограниченном наборе задач. Нам нужно будет набраться терпения в течение нескольких лет (или даже десятилетий), прежде чем мы сможем оценить все великолепие квантовой эры.
Квантовое превосходство: как устроены и над чем работают квантовые компьютеры
В Китае 4 декабря заявили о создании квантового суперкомпьютера: таких успехов ранее смогла достичь только Google. Этот прорыв был назван квантовым превосходством — показателем, что суперкомпьютеры могут делать вычисления на недостижимых скоростях. Рассказываем, зачем это нужно и как открытие скажется на развитии технологий.
Читайте «Хайтек» в
Что такое квантовый компьютер
Основное отличие квантовых компьютеров от традиционных, транзисторных, которыми все мы пользуемся сейчас, — то, как они работают с данными. Привычные нам устройства — от смартфонов и ноутбуков до суперкомпьютера-шахматиста Deep Blue — хранят все в битах. Так называется мельчайшая единица информации, которая может принимать всего два значения: либо ноль, либо единица.
В классическом компьютере один бит может хранить только число: ноль или единицу. Квантовая физика, однако, допускает суперпозицию состояний. Квантовый бит может находиться в нулевом и единичном состояниях одновременно — и это открывает невероятные возможности для сверхбыстрых вычислений.
Для этого ему нужны тысячи супермощных процессоров. В результате вычисления, на которые у мощного игрового компьютера уйдет неделя, суперкомпьютер выполняет за день. Однако важно, чтобы программы работали корректно, с учетом технических особенностей машины. Иначе то, что корректно работает на 100 процессорах, сильно замедлится на 200.
Квантовые компьютеры хранят и обрабатывают данные с помощью квантовых битов — кубитов. Последние могут не только включаться и выключаться, но и находиться в переходном состоянии или даже быть включенными и выключенными одновременно. Продолжая аналогию с лампочками: кубит — это как светильник, который вы выключили, а он все равно продолжает моргать. Или кот Шредингера, который одновременно и жив, и мертв.
Поскольку лампочки в квантовом компьютере одновременно горят и не горят, это сильно экономит время. Поэтому он решает сложные задачи намного быстрее даже очень мощного классического устройства.
В 2001 году Айзек Чуанг, руководитель исследовательской группы лаборатории IBM, адъюнкт-профессор MIT и пионер в области квантовых вычислений, сконструировал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первую экспериментальную реализацию алгоритма Шора — квантовый алгоритм факторизации (разложения числа на простые множители), позволяющий разложить число за время.
Когда у вас слишком много атомов, это похоже на большой лес. Было очень трудно контролировать один атом с помощью предыдущего. Сложность состоит в том, чтобы реализовать [алгоритм] в системе, которая достаточно изолирована: одновременно она должна оставаться квантово-механической достаточно долго, чтобы у вас действительно была возможность реализовать весь алгоритм.
Айзек Чуанг, руководитель исследовательской группы лаборатории IBM, адъюнкт-профессор MIT и пионер в области квантовых вычислений
Квантовые компьютеры выглядят не так, как обычные. Это большие цилиндры из металла с закрученными проводами, которые опущены в холодильные установки.
Они могут использоваться для разных задач, включая вычисления в области химии и физики или для создания новых материалов. Ещё одна область применения квантового компьютера — криптография и вопросы безопасности. Эти вопросы наиболее остро чувствуют финансовые организации, банки, что неудивительно: в последнее время только и гремят скандалы об утечках и взломах.
Возможности квантового компьютера позволят получить доступ к любой информации, поэтому пора задуматься о её защите с помощью релевантных технологий, либо использовании квантового компьютера для создания улучшенного шифрования.
Что означает формулировка «квантовое превосходство»?
Квантовое превосходство — способность решить задачу, находящуюся за пределами возможностей самых современных суперкомпьютеров.
В последние годы значительный прогресс был достигнут в развитии сверхпроводниковой платформы. Суть квантового превосходства заключается в том, что квантовый вычислитель оперативно решает задачу, на которую классическому суперкомпьютеру требуется колоссальное время.
Первый прорыв случился в конце октября 2019 года, когда в компании Google заявили о том, что они разработали квантовый компьютер Google Sycamore: по их данным, система за 200 секунд справилась с задачей, которая потребует порядка 10 тыс. лет работы классических суперкомпьютеров. Вот это и назвали термином «квантовое превосходство».
Однако работа компании была встречена с долей скепсиса, а конкуренты из IBM подсчитали, что на деле использованная задача может быть решена и за пару дней — достаточно для преимущества, но не для полноценного превосходства.
Следующая веха развития квантовых компьютеров пришлась на начало декабря 2020 года. 4 декабря стало известно, что китайские ученые создали прототип квантового компьютера «Цзючжан», который справился со стандартным проверочным алгоритмом в 10 млрд раз быстрее, чем Sycamore – 53-кубитный прототип квантового компьютера от компании Google. В компании заявили, что их разработка также достигла квантового превосходства.
Ученые проверили вычислительные способности «Цзючжана» с помощью специального алгоритма GBS. Система справилась с ним в 100 трлн раз быстрее самого мощного из существующих суперкомпьютеров. Кроме того, разработчики заявили, что вычислительные способности их аппарата в 10 млрд раз превышают Sycamore.
В 2001 году Чуанг, пионер в области квантовых вычислений, сконструировал квантовый компьютер, основанный на одной молекуле, которую можно было удерживать в суперпозиции и манипулировать ядерным магнитным резонансом, чтобы множить число 15. Результаты, которые были опубликованы в Nature, представляли собой первая экспериментальная реализация алгоритма Шора. Но система не была масштабируемой; по мере добавления новых атомов управлять системой становилось все труднее.
Как будут использоваться новые квантовые компьютеры?
Одно из самых важных применений квантового компьютера сейчас — разложение на простые числа. Дело в том, что вся современная криптография основана на том, что никто не сможет быстро разложить число из 30–40 знаков (или больше) на простые множители. На обычном компьютере на это уйдёт миллиарды лет. Квантовый компьютер сможет это сделать примерно за 18 секунд.
Если допустить тот факт, что наличие квантового компьютера через некоторое время станет общественной нормой, в таком случае во всем киберпространестве не будет тайн, так как любые алгоритмы шифрования можно будет сразу взломать и получить доступ к чему угодно. Это касается всего — от банковских переводов до сообщений в мессенджере.
Ещё квантовые компьютеры отлично подходят для моделирования сложных ситуаций, например, расчёта физических свойств новых элементов на молекулярном уровне. Это, возможно, позволит быстрее находить новые лекарства или решать сложные ресурсоёмкие задачи.
Чем еще он может заниматься?
Работа с BigData станет невероятно быстрой. Shazam, прокладывание маршрутов, нейронные сети, искусственный интеллект — все это получит невероятный толчок. Еще появится возможность строить модели взаимодействия сложных белковых соединений. Это станет очень важным шагом для медицины, открывающим просторы для создания будущих лекарств, понимания того как на нас влияют разные вирусы и так далее.
Благодаря огромной скорости разложения на простые множители квантовый компьютер позволит расшифровывать сообщения, зашифрованные широко применяемым криптографическим алгоритмом RSA. До сих пор этот алгоритм считается сравнительно надёжным, так как эффективный способ разложения чисел на простые множители для классического компьютера в настоящее время неизвестен. Благодаря квантовому алгоритму Шора эта задача становится вполне осуществимой, если квантовый компьютер будет построен.
Квантовые компьютеры, в теории, хорошо подходят для нужд машинного обучения. Они манипулируют большими объёмами данных за один проход и способны моделировать нейронную сеть экспоненциального размера. В 2013 году корпорация Google объявила об открытии лаборатории по квантовым исследованиям в области искусственного интеллекта. Концерн Volkswagen ведёт исследования в сфере применения квантовых компьютеров для разработки беспилотного автомобиля и новых типов аккумуляторных батарей (используя квантовые компьютеры Google и D-Wave). В ноябре 2018 года концерн объявил о разработке системы управления дорожным движением (с интеграцией в неё беспилотных машин), работающей с использованием квантовых компьютеров D-Wave.
Предполагается, что с помощью квантовых компьютеров станет возможным точное моделирование молекулярных взаимодействий и химических реакций. Химические реакции являются квантовыми по своей природе. Для классических компьютеров доступен обсчёт поведения только относительно простых молекул. По прогнозам экспертов, моделирование на квантовых компьютерах открывает новые перспективы для развития химической отрасли, в частности, при создании лекарств
А что в России?
Россия активно включилась в квантовую гонку, об этом около года назад написал Nature. Принята также «дорожная карта развития квантовых вычислений». Если говорить о текущем статусе, в России созданы ключевые элементы для всех основных платформ квантовых вычислений.
Следующий шаг состоит в их масштабировании и демонстрации решения задач с помощью них. Стоит отметить, что программа ориентирована не только на «железо» и процессоры, но и на программное обеспечение. Для следующего прорыва в квантовых вычислениях определенно необходимы оригинальные идеи — традиционно сильная сторона российских ученых.
В конце ноября 2020 года стало известно о создании консорциума «Национальная квантовая лаборатория» (НКЛ). Консорциум, в который вошли структуры «Росатома», фонд «Сколково» и университеты, будет заниматься экспортом квантовых технологий и развивать инфраструктуру. Но главная задача — создать квантовый компьютер.
В рамках «дорожной карты» «Квантовые вычисления» планируется построить на территории Сколково центр нанофабрикации площадью 2 тыс. кв. м, а также передовой лабораторный комплекс площадью более 3,5 тыс. кв. м.
Среди основных показателей, указанных в «дорожной карте», которых планируется достичь в том числе с помощью создания НКЛ, — к концу 2024-го члены консорциума должны создать вычислительные системы на различных квантовых платформах мощностью от 30 до 100 кубитов, выйти на регистрацию 40 международных патентов в год.
Эра квантовых вычислений началась: что означает успех эксперимента Google по достижению квантового превосходства
В конце октября компания Google официально объявила в журнале Nature о достижении квантового превосходства. Основатель Центра квантовых вычислений Техасского университета в Остине Скотт Ааронсон, разрабатывавший теорию для эксперимента, объясняет, чем квантовые вычисления отличаются от привычных двоичных, как маленький квантовый компьютер делает то же, что и суперкомпьютер размером с два баскетбольных поля, и для чего мы сможем использовать квантовые мощности.
«Квантовое превосходство» — меткое выражение физика Джона Прескилла, который в 2012 году назвал так способность квантового компьютера совершать вычисления с невиданной до сих пор для существующих суперкомпьютеров скоростью.
Вычисления при этом не должны быть полезными — они призваны лишь доказать сам факт, как в случае экспериментального самолета братьев Райт в 1903 году или первого в мире ядерного реактора Энрико Ферми в 1942-м.
Последние десять лет я занимался теоретическим обоснованием для экспериментов по достижению квантового превосходства. Работу Google я видел еще до публикации, поэтому я могу по крайней мере попытаться просто объяснить, что всё это значит.
Зачем нужен квантовый компьютер?
До недавних пор все компьютеры на планете, от больших ЭВМ 1960-х до вашего айфона или таких, на первый взгляд, экзотических изобретений, как нейроморфные компьютеры или ДНК-компьютеры, работали по одним и тем же принципам. Их сформулировал Чарльз Бэббидж в 1830-е годы и систематизировал Алан Тьюринг в 1930-е.
В ходе компьютерной революции менялись только количественные показатели: увеличивались скорость, объем оперативной и физической памяти, количество процессоров.
Но квантовые вычисления — это нечто совершенно иное. Это первая компьютерная модель со времен Тьюринга, которая изменит принципиальные основы вычислительных алгоритмов, позволяя выполнять невероятно сложные для традиционных компьютеров задачи.
Самые ожидаемые результаты квантовых вычислений — это возможность симулировать процессы химии и квантовой физики, а также разрушить большую часть систем шифрования, которые сейчас обеспечивают защиту данных в интернете.
Демонстрация компанией Google способностей квантового компьютера стала критической вехой компьютерной революции.
Квантовый компьютер: кубиты вместо битов
В лаборатории Санта-Барбары (Калифорния) команда Google под руководством Джона Мартиниса создала микрочип под названием «Сикомор». Этот квантовый чип состоит из 53 проволочных петель, вокруг которых ток может течь при двух разных энергиях, представляя собой 0 или 1. Чип располагается в криогенной холодильной машине, которая охлаждает провода почти до абсолютного нуля, делая их сверхпроводимыми. Такая температура необходима, чтобы на мгновение (точнее, на несколько десятков миллионных долей секунды) уровни энергии стали вести себя как квантовые частицы — кубиты (qubits, от quantum bits). Эти частицы могут находиться в состоянии так называемой суперпозиции — состояние 0 и 1 одновременно.
Суперпозиция печально знаменита тем, что ее очень сложно объяснить.
Многие популяризаторы используют образ, который заставляет физиков выть в муках: «Представьте, что кубит — это бит информации, который может быть сразу и 0, и 1 и исследовать эти состояния одновременно». Если бы у меня была возможность рассказать об этом подробно, я бы упомянул об амплитудах вероятности — ключевой концепции квантовой механики со времен Вернера Гейзенберга и Эрвина Шрёдингера.
Вот короткая версия: в повседневной жизни вероятность наступления какого-либо события может составлять от 0 до 100% — поэтому вы никогда не слышали о 30-процентной отрицательной вероятности дождя!
Однако первичные элементы, из которых состоит вся окружающая действительность (фотоны и электроны), подчиняются совершенно иным законам вероятности. Они измеряются амплитудами, которые могут быть положительными, отрицательными и даже комплексными (включая квадратный корень из −1).
Более того, если событие — скажем, фотон, врезающийся в какую-то точку на экране, — может произойти в одном случае с положительной амплитудой, а в другом случае с отрицательной, то обе вероятности могут взаимно уничтожиться: общая амплитуда станет равна нулю и событие никогда не произойдет. Это явление называется квантовой интерференцией, и именно она лежит в основе всего того, что вам кажется очень странным в квантовом мире.
Вернемся к кубитам. Кубит — это просто бит информации с двумя амплитудами вероятности: 0 и 1. Если вы наблюдаете за кубитом, вы заставляете его случайным образом принять значение либо 0, либо 1.
Однако если вы не наблюдаете за ним, то происходит интерференция амплитуд, и кубит выдает эффекты, свойственные обеим амплитудам. Вы не можете объяснить их только тем фактом, что кубит в состоянии 1 или в состоянии 0.
Один кубит соответствует двум состояниям, два кубита — уже четырем, а восемь кубитов могут принимать значения от 0 до 255.
Что происходит, если у вас не один кубит, а тысяча, и все они взаимодействуют друг с другом (в результате чего получается то самое состояние квантовой «запутанности» )? Законы квантовой механики действуют непреклонно — придется просчитывать все возможные значения всех тысяч бит. Это 2 в тысячной степени — больше, чем количество атомов в наблюдаемой Вселенной!
Если у вас 53 кубита, как в «Сикоморе» от Google, то получится 2 в степени 53, или около 9 квадриллионов значений.
В чем суть эксперимента по квантовому превосходству?
Цель эксперимента Google — с помощью 53 кубит «Сикомора» произвести вычисление, для симуляции которого обычному компьютеру действительно понадобилось бы 9 квадриллионов шагов.
Кубиты в «Сикоморе» расположены в прямоугольной сетке, которая позволяет каждому кубиту взаимодействовать с соседними. От обычного компьютера снаружи холодильной камеры к «Сикомору» идет сигнал, сообщающий каждому кубиту, как ему себя вести, с каким из соседей взаимодействовать и когда. Иначе говоря, это программируемое устройство — именно поэтому оно и называется компьютером.
В конце все кубиты измеряют, получая случайную строку из 53 битов. Какая последовательность взаимодействий используется для получения этой строки, неважно. В эксперименте Google они были случайными. Затем можно снова выполнить ту же самую последовательность, чтобы сэмплировать другую случайную 53-битную строку точно таким же образом — и так далее, так часто, как вам нужно.
По оценке Google, чтобы повторить пробное вычисление, которое заняло у «Сикомора» 3 минуты 20 секунд, понадобилось бы 10 тысяч лет и 100 тысяч традиционных компьютеров, на которых запущены самые быстрые на сегодняшний день алгоритмы.
Эта задача так сложна, что с помощью обычного компьютера оказалось невозможно даже проверить результаты вычисления! Так что для проверки работы квантового компьютера в самых сложных случаях Google полагался на аналогии с более простыми.
Почему IBM говорит, что Google ничего не достиг
Компания IBM, которая сконструировала свой собственный 53-кубитный процессор, тут же опубликовала опровержение.
Компания заявляет, что с помощью мощнейшего суперкомпьютера на планете она сможет повторить эти вычисления за 2,5 дня, а не за 10 тысяч лет. Для этого понадобится суперкомпьютер Summit в Национальной лаборатории Ок-Риджа в штате Теннесси, площадь которого занимает пару баскетбольных полей.
IBM утверждает, что может записать все 9 квадриллионов возможных состояний, используя не умещающиеся в моем воображении 250 петабайт физической памяти суперкомпьютера. Что характерно, IBM не считает, что такое моделирование будет легким: на момент написания этой статьи компания так и не провела его.
Кто и что в итоге доказал?
Сегодня мощнейшие суперкомпьютеры планеты с героическим усилием всё еще могут продемонстрировать малую долю мощности квантовых компьютеров. Но сам факт того, что в компьютерной гонке обычный и квантовый компьютер сравнялись, заставляет предположить, что очень скоро кое-кто вырвется вперед.
Будь у Google процессор не на 53 кубита, а на 60, для проверки результатов компании IBM понадобилось бы уже 30 суперкомпьютеров Summit. А на проверку 70 кубитов нужен суперкомпьютер величиной с огромный город.
Есть ли какая-то научная ценность в бодании двух технологических гигантов? Является ли формальное «квантовое превосходство», пока что не применимое к жизни, важной вехой? И когда вообще ждать от этого всего практической пользы? Предположим, Google все-таки достиг квантового превосходства — что конкретно это доказывает и кто вообще в сомневался в том, что квантовое исчисление мощнее двоичного?
Чем полезен квантовый компьютер?
Давайте начнем с практической пользы.
Шифрование. Протокол, который я разработал пару лет назад, использует для генерации случайных битов такой же процесс выборки, как и в эксперименте Google. Сам по себе он не впечатляет, но дело в том, что даже убежденному скептику можно продемонстрировать случайность битов, обеспеченную квантовой интерференцией. Надежная случайность битов необходима для шифрования, например, в случае с криптовалютами с доказательством доли владения (Proof-of-stake, или PoS) — экологичными альтернативами биткоина. Google, кстати недавно купил права на этот протокол.
Симуляция квантовых процессов природы. Еще одно практическое применение потребует больше кубитов и более высокое качество работы — как раз сейчас техногиганты спешат обогнать друг друга в конструировании такого устройства. Это небольшие квантовые компьютеры, которые смогут симулировать квантовые процессы химических веществ и материалов, помогая ученым в их исследованиях.
Симуляция квантовой механики, превосходящая количество амплитуд в реальности за счет компьютера, равного по мощности самой природе, — о таком применении говорил Ричард Фейнман в начале 1980-х годов, когда создал концепцию квантового компьютера.
Это всё еще самое важное применение этой технологии, которое поможет в разработке чего угодно: от аккумуляторов и солнечных батарей до удобрений и лекарств.
Достижение невероятных мощностей. Еще одна веха будущего — квантовое исправление ошибок. В теории эта технология позволит удерживать кубиты в правильном состоянии без помех в течение длительного периода времени.
Исследователи полагают, что квантовое исправление ошибок в итоге позволит квантовым компьютерам вырасти от пары сотен кубитов до машин с миллионами или миллиардами кубитов, что сделает мечту Фейнмана реальностью.
Но этого пока что никто не сделал — и неизвестно, когда это станет возможным.
Google доказал, что квантовая механика работает
В то же время эксперимент Google — это решающее доказательство жизнеспособности самой идеи. Построить квантовый компьютер так трудно, что с тех пор как ученые серьезно взялись за это дело в середине 1990-х, некоторые скептики утверждали, что это попросту невыполнимая задача. Кубиты, говорили они, всегда будут слишком хрупкими, чтобы их контролировать. И если законы квантовой механики предсказывают, что количество амплитуд вычислений растет по экспоненте — что ж, тем хуже для нашего понимания квантовой механики!
Эксперимент Google должен дать всем скептикам паузу для размышления. Очевидно, что устройство на 53 кубита действительно смогло просчитать 9 квадриллионов амплитуд, оставив позади все суперкомпьютеры на планете — пусть пока что и в совершенно бессмысленном вычислении.
Квантовая механика работает! Это вывод одновременно ожидаемый и поразительный, консервативный и радикальный.
Компьютерная революция началась с одного-единственного изобретения — транзистора. В дотранзисторную эпоху мы застряли на ненадежных электронных лампах. Но они свое дело делали — переводили абстрактную алгебру логики в электрический сигнал достаточно надежно, чтобы это было полезно практически.
У нас пока что нет квантовой версии транзистора: для этого нужно квантовое исправление ошибок. Чтобы добраться до этой точки, нам понадобятся огромные инженерные мощности, а возможно, и другие инсайты.
Но значение эксперимента Google по достижению квантового превосходства невозможно отрицать: после 25 лет попыток мы наконец оказались в «ламповой эре» квантовых вычислений.
