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?
Квантовое превосходство — это цель создания такой квантовой вычислительной системы, которая сможет решить проблему, которую ни один классический компьютер не сможет решить за разумное время.
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:
- Выборка вывода случайных квантовых схем
- Проблемы с неудовлетворенным кластером, разработанные D-Wave
- Предложение по взятию проб бозона, внесенное Ааронсоном и Архиповым
Как мы скажем об уверенности в том, что квантовое превосходство было достигнуто?
Проверка квантового превосходства — одна из самых сложных задач. Это не похоже на ядерный взрыв или запуск ракеты, где вы просто смотрите и сразу узнаете, удалось ли это.
Вы должны точно продемонстрировать две вещи, чтобы проверить квантовое превосходство:
- Квантовое устройство быстро выполняет вычисления.
- Ни один классический компьютер не может эффективно выполнять те же вычисления.
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
В 2018 году Google представила 72-кубитный процессор под названием Bristlecone, а в 2019 году IBM выпустила первый в мире коммерческий квантовый компьютер на основе схем — IBM Q System One.
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.
Источник:
