Что лучше суперкомпьютер или квантовый компьютер
Обновлено: 04.07.2024
16 ноября компания IBM презентовала новый квантовый компьютер с рекордным числом квантовых битов (кубитов): 127. В пресс-релизе компании заявляется, что работу этого квантового чипа невозможно смоделировать на обычном компьютере. Число битов, которые потребовалось бы для этого классической ЭВМ, превышает суммарное количество атомов во всех людях, населяющих земной шар. Чтобы это сравнение стало более наглядным, вспомним, что в одном лишь стакане воды больше атомов, чем стаканов воды в Мировом океане или галактик в видимой Вселенной.
Уже на следующий день стартап QuEra Computing Inc. объявил, что закончил работу над квантовым компьютером из 256 кубитов (научная статья об этой разработке появилась в журнале Nature еще в июле). Специалисты QuEra планируют в течение двух лет довести число кубитов до тысячи, а в перспективе — до сотен тысяч, и все это без особых изменений в архитектуре. Стартап привлек $17 млн инвестиций от компаний Rakuten, Day One Ventures, Frontiers Capital, а также частных инвесторов — основателя Acronis Сергея Белоусова и бывшего топ-менеджера Microsoft Пола Марица.
Сотрудники QuEra эффектно продемонстрировали работу своего компьютера. Они заставили кубиты, выстроенные в виде прямоугольника, воспроизводить анимацию с Марио — легендарным персонажем компьютерных игр. Но, конечно, квантовые компьютеры — это не игрушка, а вычислительная техника завтрашнего дня. Или нет?
Призрак превосходства
Современная экономика немыслима без мощных компьютеров. При этом даже лучшие из них зачастую пасуют перед задачами, которые ставит жизнь. Выходом могут стать квантовые компьютеры, которые потенциально гораздо мощнее обычных. Это их свойство — пока существующее скорее в перспективе, чем на практике — называют квантовым превосходством (quantum supremacy) или квантовым преимуществом (quantum advantage).
Дело в том, что квантовые компьютеры иначе хранят и обрабатывают информацию. Классический компьютер имеет дело с битами. Бит имеет только два возможных состояния: 0 и 1, и переходит из одного в другое скачком. Бит похож на рубильник, который либо включен, либо выключен, и третьего не дано. Квантовый бит (кубит) может находиться в любом из бесконечного множества промежуточных состояний и плавно переключаться между ними. Это позволяет ему хранить куда больше информации, чем бит. Если сильно упрощать, то можно представить кубит стаканом, в котором может быть любой уровень воды между «пуст» и «полон».
Идея квантовых вычислений была высказана еще в 1980-х. Однако настоящий интерес к ней возник в 1990-е, когда выяснилось, что квантовый компьютер мог бы взламывать самые надежные шифры. Речь идет о RSA-шифровании, которое широко используется для обмена финансовыми и другими конфиденциальными данными. Этот алгоритм основан на том факте, что два больших числа легко перемножить, но крайне трудно разложить произведение обратно на множители. Однако в 1994 году математик Питер Шор показал, что квантовый компьютер (тогда существовавший лишь на бумаге) справляется с такой задачей гораздо быстрее, чем классический. Тот, кто пренебрегает возможностями квантовых вычислений, рискует однажды обнаружить, что все его счета взломаны.
Однако до момента, когда банкам потребуется защита от квантовых взломщиков, еще далеко. Квантовый компьютер, который мог бы соперничать в производительности с обычным ноутбуком, должен иметь, по разным оценкам, от тысяч до миллионов кубитов.
Правда, уже сейчас раздаются заявления о достижении пресловутого квантового превосходства. Первой отметилась корпорация Google, заявившая в 2019 году, что ее 53-кубитное детище Sycamore за 200 секунд решило задачу, на которую у крупнейшего современного суперкомпьютера Summit ушло бы десять тысячелетий. Правда, конкуренты из IBM усомнились в этих цифрах. В 2020 году о достижении квантового преимущества сообщили китайские ученые. Однако, в обоих случаях имело место некоторое лукавство. Классическому компьютеру предлагали соревноваться с квантовым в моделировании квантовых явлений. Поскольку в квантовые машины эти явления встроены на уровне «железа», это было похоже на состязание в плавании между человеком и дельфином. Разумеется, в своей стихии дельфин победит даже олимпийского чемпиона. Но настоящее квантовое превосходство заключалось бы в безоговорочной победе во всех дисциплинах, включая бег и метание молота.
Новые принципы
Почему так трудно создавать квантовые компьютеры с большим числом кубитов? Дело в том, что с точки зрения физики кубит представляет собой объект, живущий по законам квантовой механики. Это может быть, например, отдельный атом, ион или микроскопическое кольцо из сверхпроводника. Такие объекты необычайно хрупки и уязвимы. Малейшее внешнее воздействие разрушает квантовое состояние, в котором находится кубит. Поэтому кубиты требуют изоляции от внешнего мира, вакуума и охлаждения почти до абсолютного нуля, и все равно в их работе то и дело возникают ошибки. Собрать тысячи и тем более миллионы таких капризных элементов в управляемую и отказоустойчивую систему — та еще задача. Некоторые физики (правда, они в меньшинстве) полагают даже, что она никогда не будет решена.
Но, пока глаза скептиков боятся, руки и головы энтузиастов делают. Вот и специалисты QuEra отвергли обычные реализации кубитов (ионы и сверхпроводящие контуры) и опробовали новую (электрически нейтральные атомы).
Всего в нескольких миллиметрах от стенок камеры, имеющих комнатную температуру, сотни атомов зафиксированы в вакууме и охлаждены до температуры, лишь на миллионную долю градуса превосходящей абсолютный нуль (около −273 °C). Эти атомы буквально подвешены в перекрестье лазерных лучей. Лазеры не только удерживают атомы-кубиты от контакта с внешним миром, но и управляют их работой. Когда электрон в атоме поглощает фотон, он приобретает дополнительную энергию и переходит на следующую орбиту, дальше от ядра. В результате атом, так сказать, раздувается. Но только в том случае, если ему не мешает другой раздувшийся атом, находящийся впритык к первому. Так кубиты взаимодействуют между собой.
Эта реализация кубитов лучше альтернатив по нескольким причинам. Например, в отличие от ионов, атомы не отталкиваются друг от друга электрическими силами, поэтому сотни кубитов можно разместить на площадке в доли квадратного миллиметра. Но это решение требует сопутствующих технологий, появившихся только в последние годы.
Специалисты QuEra рассчитывают, что они создали практически полезное устройство, а не просто прототип. Так, новый компьютер может стать подспорьем для физиков в моделировании квантовых систем (как отмечалось выше, этот «навык» квантовые компьютеры уже продемонстрировали). Другое возможное поле для деятельности — квантовая оптимизация. Так называется решение обычных задач оптимизации (например, финансовых и логистических) с помощью математических подходов, позаимствованных из квантовой физики. Квантовый компьютер, воплощающий эту математику «в железе», в принципе может хорошо справляться с этими задачами даже при малом числе кубитов. Но так ли это на самом деле, покажет только практика.
Квантовый шум
Индустрия квантовых вычислений находится в странной промежуточной зоне. На бумаге теоретики смело оперируют миллионами кубитов, разрабатывая вычислительные схемы послезавтрашнего дня. Практики же, которым приходится воплощать эти идеи в реальность, едва освоили производство устройств с сотнями кубитов. Эксперты называют нынешний технологический этап эпохой шумных квантовых процессоров среднего масштаба (Noisy Intermediate-Scale Quantum, или NISQ). Средний масштаб — это десятки или сотни кубитов. Слово «шумный» отражает тот факт, что системы все еще работают неустойчиво из-за внешних помех, переключающих кубиты когда и как вздумается.
Как извлечь максимальную пользу из NISQ-устройств — тема обширных дискуссий. Работа таких систем еще далека от надежности. Неудобств добавляет то, что проанализировать ее с помощью классических компьютеров уже трудно (вспомним пример с числом атомов в семи миллиардах человек). С другой стороны, эти машины, кажется, уже умеют кое-что недоступное классическим компьютерам. Игнорировать эти возможности было бы расточительно.
Подходить к решению этой проблемы можно по-разному. Например, специалисты Google делают ставку на симбиоз квантовых и классических компьютеров. Квантовый компьютер выдает результат, загрязненный помехами и вычислительными ошибками. По сути, отмечают эксперты компании, перед нами классическая задача отделить полезный сигнал от случайного шума. А в ее решении вполне преуспели привычные компьютеры, и особенно искусственные нейронные сети. В 2020 году Google презентовала библиотеку программ TensorFlow Quantum для интеграции квантовых компьютеров с классическими. В числе прочего этот инструмент позволяет использовать искусственный интеллект для «подчистки» результатов работы квантового компьютера. Библиотека распространяется свободно и имеет открытый исходный код. Кроме того, она интегрирована с платформой Cirq, также разработанной Google и предназначенной для программирования квантовых компьютеров.
Впрочем, поток многообещающих новостей не должен затмевать простого факта: квантовые компьютеры пока не сделали ничего практически полезного. Может быть, они войдут в нашу жизнь через считанные годы или хотя бы десятилетия. А быть может, этот «квантовый шум» так и не принесет плодов в обозримом будущем.
Интересно, а какая сторона у монетки в тот момент, когда она в воздухе? Орел или решка, горит или не горит, открытое или закрытое, 1 или 0. Все это примеры двоичной системы, то есть системы, которая имеет всего два возможных состояния. Все современные процессоры в своем фундаменте основаны именно на этом!
При правильной организации транзисторов и логических схем можно сделать практически все! Или все-таки нет?
Современные процессоры это произведение технологического искусства, за которым стоят многие десятки, а то и сотни лет фундаментальных исследований. И это одни из самых высокотехнологичных устройств в истории человечества! Мы о них уже не раз рассказывали, вспомните хотя бы процесс их создания!
Процессоры постоянно развиваются, мощности растут, количество данных увеличивается, современные дата-центры ворочают данные сотнями петабайт (10 в 15 степени = 1 000 000 000 000 000 байт). Но что если я скажу что на самом деле все наши компьютеры совсем не всесильны!
Например, если мы говорим о BigData (больших данных) то обычным компьютерам могут потребоваться года, а то и тысячи лет для того, чтобы обработать данные, рассчитать нужный вариант и выдать результат.
И тут на сцену выходят квантовые компьютеры. Но что такое квантовые компьютеры на самом деле? Чем они отличаются от обычных? Действительно ли они такие мощные? Будет ли на них CS:GO идти в 100 тысяч ФПС?
Небольшая затравочка — мы вам расскажем, как любой из вас может уже сегодня попробовать воспользоваться квантовым компьютером!
Устраивайтесь поудобнее, наливайте чай, будет интересно.
Глава 1. Чем плохи обычные компьютеры?
Начнем с очень простого классического примера.
Представим, что у вас есть самый мощный суперкомпьютер в мире. Это компьютер Фугаку. Его производительность составляет 415 ПетаФлопс.
Давайте дадим ему следующую задачку: надо распределить три человека в две машины такси. Сколько у нас есть вариантов? Нетрудно понять что таких вариантов 8, то есть это 2*2*2 или 2 в третьей степени.
Как быстро наш суперкомпьютер справится с этой задачей? Мгновенно! Задачка-то элементарная.
А теперь давайте возьмем 25 человек и рассадим их по двум шикарным лимузинам, получим 2 в 25 степени или 33 554 432 варианта. Поверьте, это число тоже плевое дело для нашего суперкомпьютера.
А теперь 100 человек и 2 автобуса, сколько вариантов?
Считаем: 2 в 100 степени — это примерно 1.27 x 1030 или 1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 вариантов.
Теперь нашему суперкомпьютеру на перебор всех вариантов понадобится примерно 4.6*10^+35 (4.6 на 10 в 35 степени) лет. А это уже очень и очень много. Такой расчет займет больше времени чем суммарная жизнь сотен вселенных.
Суммарная жизнь нашей вселенной: 14 миллиардов лет или 14 на 10 в 9 степени.
Даже если мы объединим все компьютеры в мире ради решения, казалось бы, такой простой задачки как рассадка 100 человек по 2 автобусам — мы получим решение, практически никогда!
И что же? Все? Выхода нет?
Есть, ведь квантовые компьютеры будут способны решить эту задачку за секунды!
И уж поверьте — использоваться они будут совсем не для рассадки 100 человек по 2 автобусам!
Глава 2. Сравнение. Биты и Кубиты
Давайте разберемся, в чем же принципиальная разница.
Мы знаем, что классический процессор состоит из транзисторов и они могут пропускать или не пропускать ток, то есть быть в состоянии 1 или 0 — это и есть БИТ информации. Кстати, рекомендую посмотреть наше видео о том как работают процессоры.
Вернемся к нашему примеру с двумя такси и тремя людьми. Каждый человек может быть либо в одной, либо в другой машине — 1 или 0.
Вот все состояния:
Для решения процессору надо пройти через абсолютно все варианты один за одним и выбрать те, которые подходят под заданные условия.
В квантовых компьютерах используются тоже биты, только квантовые и они принципиально отличаются от обычных транзисторов.
Они так и называются Quantum Bits, или Кубиты.
Что же такое кубиты?
Кубиты — это специальные квантовые объекты, настолько маленькие, что уже подчиняются законам квантового мира. Их главное свойство — они способны находиться одновременно в 2 состояниях, то есть в особом состоянии — суперпозиции.
Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0.
Суперпозиция — это нечто потрясающее. Считайте что кубиты — это одновременно открытая и закрытая дверь, или горящая и не горящая лампочка….
В нашем случае они одновременно 1 и 0!
Но квантовая механика говорит нам, что квантовый объект, то есть кубит, находится в суперпозиции, пока ты его не измеришь. Помните монетку — это идеальный пример суперпозиции — пока она в воздухе она одновременно и орел, и решка, но как только я ее поймал — все: либо орел, либо решка! Состояние определилось.
Надо понять, что эти кубиты и их поведение выбираются совсем не случайно — эти квантовые системы очень строго определены и их поведение известно. Они подчиняются законам квантовой механики!
Квантовый компьютер внутри
Говоря о самом устройстве, если мы привыкли к полупроводникам и кремнию в обычных процессорах, то в случае квантовых компьютеров люди все еще ищут, какие именно квантовые объекты лучше всего использовать для того, чтобы они выступили кубитами. Сейчас вариантов очень много — это могут быть и электроны со своим спином или, например, фотоны и их поляризация. Вариантов множество.
И это далеко не единственная сложность, с которой столкнулись ученые! Дело в том, что квантовые кубиты довольно нестабильны и их надо держать в холодном месте, чтобы можно было контролировать.
И если вы думаете, что для этого будет достаточно водяного охлаждения вашего системника, отчасти вы правы, только если залить туда жидкий Гелий, температура которого ниже минус двухсот семидесяти градусов Цельсия! А для его получения используются вот такие вот здоровые бочки.
Фактически, квантовые компьютеры — это одни из самых холодных мест во вселенной!
Принцип работы квантового компьютера
Давайте вернемся к нашей задачке про трех людей и две машины и рассмотрим ее с точки зрения квантового компьютера:
Для решения подобной системы нам понадобится компьютер с 3 кубитами.
Помните, что классический компьютер должен был пройти все варианты один за одним? Так вот поскольку кубиты одновременно имеют состояния «1» и «0», то и пройти через все варианты он сможет, фактически одновременно!
Знаю, что прозвучит максимально странно, но представьте, что в данной ситуации наши три кубита создают 8 различных параллельных миров, в каждом из которых существует одно решение, а потом они все собираются в один! Реально «Мстители» какие-то!
Но что же получается? Он выдает все варианты сразу, а как получить правильный?
Для этого существуют специальные математические операторы, например оператор Грувера, который позволяет нам определять правильные результаты вычислений квантовых систем! Это специальная функция, которая среди всех возможных вариантов находит нужный нам.
Помните задачку про 100 человек в 2 автобуса, которую не смогли бы решить все современные компьютеры вместе взятые? Для квантового компьютера со 100 кубитами эта задачка все равно что семечку щелкнуть! То есть компьютер находится одновременно в 2 в 100 степени состояний, а именно:
1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 — вот столько состояний одновременно! Столько параллельных миров!
Думаете, что всё это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Да, вы правы. Есть куча нюансов и ограничений. Например, ошибка. Проблема в том, что кубиты, в отличие от обычных битов, не определены строго.
У них есть определенная вероятность нахождения в состоянии 1 или 0. Поэтому есть вероятность ошибки и чем больше кубитов в системе, тем больше суммарная вероятность, что система выдаст неправильный ответ. Поэтому зачастую надо провести несколько расчетов одной и той же задачи, чтобы получить верный ответ.
Ну то есть как верный? Он всегда будет содержать в себе минимальную возможность ошибки вследствие своей сложной квантовой природы, но ее можно сделать ничтожно малой, просто прогнав вычисления множество раз!
Квантовые компьютеры сегодня
Теперь перейдем к самому интересному — какое состояние сейчас у квантового компьютера? А то их пока как-то не наблюдается на полках магазинов!
На самом деле все, что я описал выше, это не такая уж и фантастика. Квантовые компьютеры уже среди нас и уже работают. Их разработкой занимаются GOOGLE, IBM, INTEL, MICROSOFT и другие компании поменьше. Кроме того в каждом большом институте есть исследовательские группы, которые занимаются разработкой и исследованием квантовых компьютеров.
Сундар Пичаи и Дэниэл Сэнк с квантовым компьютером Google. Октябрь 2019
В октябре прошлого года, в журнале Nature, Google выложила статью, которая шарахнула по всему миру огромными заголовками — КВАНТОВОЕ ПРЕВОСХОДСТВО!
В Google создали квантовый компьютер с 53 кубитами и смогли решить задачку, за 200 секунд, на решение которой у обычного компьютера ушло бы 10000 лет!
Конечно IBM было очень обидно и они начали говорить, что задача слишком специальная, и вообще не 10000 лет, а 2.5 дня, но факт остается фактом — квантовое превосходство было достигнуто в определенной степени!
Так что теперь вопрос считанных лет, когда квантовые компьютеры начнут использоваться повсеместно! IBM, например, только что анонсировали что в 2023 году создадут коммерческий квантовый компьютер с 1121 кубитами!
Чтобы вы понимали калькулятор Google даже не считает сколько будет 2 в 1121 степени, а просто говорит — бесконечность! И это совсем не предел.
Уже ведется разработка компьютеров на миллионы кубитов — именно они откроют истинный потенциал квантовых вычислений.
Более того, вы уже сейчас можете попробовать самостоятельно попробовать квантовые вычисления! IBM предлагает облачный доступ к самым современным квантовым компьютерам. Вы можете изучать, разрабатывать и запускать программы с помощью IBM Quantum Experience.
Но зачем вообще нужны квантовые компьютеры и где они будут применяться?
Естественно, не для распихивания людей по автобусам.
Задач множество. Главная — базы данных и поиск по ним, работа с BigData станет невероятно быстрой. Shazam, прокладывание маршрутов, нейронные сети, искусственный интеллект — все это получит невероятный толчок! Кроме того симуляции и моделирование квантовых систем! Зачем это надо — спросите вы?
Это очень важно, так как появится возможность строить модели взаимодействия сложных белковых соединений.
Это станет очень важным шагом для медицины, открывающим просто умопомрачительные просторы для создания будущих лекарств, понимания того как на нас влияют разные вирусы и так далее. Простор огромен!
Чтобы вы примерно понимали какая это сложная задачка, мы вернемся в примеру с монеткой. Представьте что вам надо заранее смоделировать что выпадет — орел или решка.
Надо учесть силу броска, плотность воздуха, температуру и кучу других факторов. Сложно? Ну не так уж!
А теперь представьте, что у вас не один человек, который кидает монетку, а миллион разных людей, в разных местах, по-разному кидают монетки. И вам надо рассчитать что выпадет у всех! Вот примерно настолько сложная эта модель о взаимодействии белков.
Кроме того, вы наверняка слышали о том, что квантовые компьютеры сделают наши пароли просто пшиком, который можно будет подобрать за секунды. Но это уже совсем другая тема…
Вывод
Какой вывод из всего этого мы можем сделать, квантовый компьютер — это принципиально новая система. Она отличается от обычных компьютеров в самом фундаменте, в физических основах на которых работает.
Их на самом деле даже нельзя сравнивать! Это все равно, что сравнивать обычные счеты и современные компьютеры!
И конечно есть большие сомнения, что вы когда-нибудь сможете прийти в магазин и купить свой маленький квантовый процессор. Но они вам и не нужны. Квантовые компьютеры для обычного пользователя станут как современные дата-центры, то есть нашими невидимыми помощниками, которые расположены далеко и которые просто делают нашу жизнь лучше или как минимум другой!
Исследователи из Шанхайского университета разработали квантовый компьютер, скорость вычислений которого в 10 миллиардов раз выше, чем компьютер Google Sycamore, сообщает The Next Web.
Квантовые компьютеры выполняют такие задачи, которые невозможно решить при помощи обычной вычислительной техники.
В ходе демонстрации работы китайского квантового компьютера, получившего название «Цзючжан», всего за несколько минут была решена задача по отбору проб гауссовских бозонов, которую классический суперкомпьютер решал бы около двух с половиной миллиардов лет.
Ранее такую же квантовую систему представляла Google — работа компьютера Sycamore основывается на принципе суперпозиции, и вместо битов машина использует кубиты (квантовые биты), которые одновременно могут находиться во всевозможных состояниях (в 1 и 0 одновременно). Таким образом, компьютеру не нужно тратить время на перебор всех возможных вариантов состояний.
Отличительной чертой китайской разработки является то, что машина может только демонстрировать квантовое превосходство, но фактически он не решает никаких задач. Компьютер же американской корпорации является программируемым, так что его можно адаптировать под решение различных задач.
Тем не менее, это не умаляет заслуг китайских ученых и их нового компьютера. Один из руководителей разработки, профессор Лю Чаоян отметил, что создание квантового компьютера — это гонка не между странами, а между человечеством и природой.
Между тем, обывателю пока трудно представить, зачем нужны такие мощные машины.
«Такого класса машины призваны работать с гораздо большей скоростью, их принцип построения отличен от используемых сегодня. Предварительно, на них будут считать ограниченный набор задач, таких как scientific computing или crypto-системы. Для прикладного применения технология еще не совсем готова. Существует много накладных расходов при таких вычислениях, это ограничивает сферы их применения, а также языки и подходы к программированию», — сказал Сысоев.
Также эксперт отметил, что прорыв китайских ученых заключается в том, что они создали еще один подход к созданию таких машин.
«Вполне возможно, именно такого рода вычислительные системы в будущем заменят сегодняшние компьютеры.
Если это произойдет, скачок развития человечества будет колоссальным — ведь самый мощный на сегодняшний день суперкомпьютер в сравнении с квантовым будет иметь такую же производительность, как смартфон в сравнении с экзафлопсным суперкомпьютером», — объясняет Сысоев.
Генеральный директор Gamesup42 Игорь Ивченко отметил, что создание квантового компьютера – это технологическая задача, над которой работали долгое время.
«Появление такой техники предвещает рывок в развитии науки, техники, т.к. он основан на других принципах, нежели все современные суперкомпьютеры. Задачи, которые могут решать современные ПК месяцами, а иногда и годами квантовый компьютер может решить мгновенно.
Появление такой техники можно сравнить с событиями такого уровня, как создание первого автомобиля или компьютера.
Эта техника будет предназначена для решения сложнейших задач человечества, а не для утилитарных функций, к которым все привыкли», — рассказал эксперт.
Эксперт сказал, что квантовый компьютер может помочь в решении проблем, где учитывается бесконечное число входящих. Например, как выжить человечеству в условиях прогрессирующего глобального климатического потепления, или помочь в создании космических аппаратов, которые позволят осуществлять межпланетные перелеты.
«Кубиты по своей природе нестабильны, они мгновенно «забывают» информацию. Под воздействием на кубит окружающей среды нарушается связь внутри квантовой системы (процесс декогеренции). Для решения этой проблемы нужно максимально изолировать от воздействия внешних факторов, что представляет собой в настоящий момент даже не технологическую проблему, а научно-теоретическую», — рассказал эксперт.
Также эксперт отметил, что в теории квантовый компьютер позволит значительно ускорить вычисление алгебраических, теоретико-числовых и предсказательных алгоритмов.
Реализация полноценного квантового компьютера сможет также ускорить решения задач, связанных с моделированием, шифрованием, искусственным интеллектом, биоинформатикой, химии и генной инженерии.
Меликишвили также признал важность прорыва, которого добились китайские ученые.
«Китайские ученые опубликовали статью в журнале Science, в которой говорится, что они создали действующий прототип квантового компьютера, превышающий своей производительностью в 10^14 (10 в 14 степени) раз существующие прототипы от Google и IBM. Если этот прототип действительно соответствует заявленных характеристикам — то это колоссальный прорыв в этой сфере науки. При этом важно понимать, что и китайский квантовый компьютер, и компьютеры Google и IBM – это по сути эксперименты, где ученые проверяют различные научные гипотезы с помощью очень сложного высокотехнологичного оборудования, до реального создания квантового компьютера и тем более его прикладного использования еще очень далеко», — заключил эксперт.
Квантовые компьютеры в будущем теоретически должны стать более мощными, чем любой из суперкомпьютеров, и теперь ученые рассчитывают, что именно нужно квантовым компьютерам для достижения такого «квантового превосходства». Например, Google в прошлом году объявила, что их квантовый компьютер Sycamore с 53 кубитами смог выполнить за 3 минуты 20 секунд вычисления, на которые самому мощному на данный момент суперкомпьютеру IBM Summit с более чем 200 000 процессорных ядер потребовалось бы 10 тысяч лет.
Но корректны ли были условия эксперимента? Для начала погрузимся в теорию. В то время как классические компьютеры включают или выключают транзисторы, чтобы символизировать данные в виде единиц или нулей, квантовые компьютеры используют квантовые биты — кубиты, которые из-за причудливой природы квантовой физики могут находиться в состоянии суперпозиции, где они одновременно равны 1 и 0.
Суперпозиция позволяет одному кубиту выполнять два вычисления одновременно, и если два кубита связаны через квантовый эффект, известный как запутывание, они могут выполнить 2 2 или четыре вычисления одновременно, три кубита соответственно 2 3 или восемь вычислений, и так далее. В принципе, квантовый компьютер с 300 кубитами может выполнить за один миг больше вычислений, чем атомов в видимой Вселенной, что делает такие мощности просто бессмысленными.
И теперь мы подошли к ключевому вопросу — сколько кубитов необходимо для достижения квантового превосходства над стандартными компьютерами? Вернемся к эксперименту Google. Во-первых, сами инженеры компании признают, что их квантовый компьютер был заточен под решение именно этой задачи, тогда как область применения суперкомпьютеров гораздо шире. Во-вторых, исследователи IBM в ответ на этот эксперимент утверждают, что «идеальное моделирование той же самой задачи может быть выполнено на классической системе за 2.5 дня и с гораздо большей точностью», однако никакого подтверждения этому они не привели.
Чтобы понять, что на самом деле может потребоваться для квантового превосходства, исследователи в своей новой работе проанализировали три различных вида квантовых схем, которые могут решать задачи, которые обычные компьютеры теоретически считают неразрешимыми в общем случае. Схемы мгновенного квантового полиномиального времени (Quantum Polynomial-Time, IQP) являются самым простым способом соединения кубитов в квантовые цепи. Их суть в том, чтобы представить сложность конечной задачи как полином (многочлен), зависящий от размера начальных данных. Говоря простым языком, схемы IQP позволяют серьезно ограничить рост сложности задачи при увеличения размера начальных данных.
Часть квантового компьютера Google под названием Sycamore.
Схемы квантового алгоритма приближенной оптимизации (Quantum Approximate Optimization Algorithm, QAOA) являются более продвинутыми, и их как раз использовала компания Google в своем эксперименте. Суть такого подхода в том, чтобы использовать кубиты для оптимизации вычислений, позволяя получить результат с нужной точностью за небольшое время. Наконец, схемы выборки бозонов используют фотоны как кубиты. Это позволяет упростить квантовый компьютер и использовать меньше физических ресурсов, хотя это и накладывает ограничение на спектр решаемых задач.
Предполагая, что эти квантовые схемы конкурируют с суперкомпьютерами, способными выполнять до квинтиллиона (10 18 ) операции с плавающей запятой в секунду (FLOPS), исследователи рассчитали, что квантовое превосходство может быть достигнуто с 208 кубитами с IQP-схемами, 420 кубитами с QAOA-схемами и 98 фотонами с бозонными схемами.
«Я немного удивлен, что мы в конечном итоге смогли получить число, которое не так уж далеко от того количества кубитов, которые мы видим в уже существующих устройствах», — говорит ведущий автор исследования Александр Далзелл, квантовый физик из Калифорнийского технологического института в Пасадене. «Первый подход, который мы рассчитали, требовал как минимум 10 000 кубитов, второй подход все еще предполагал наличия почти 2000 кубитов. Наконец, при третьем подходе нам удалось устранить большую часть накладных расходов в нашем анализе и свести цифры к всего сотням кубитов».
Ученые добавляют, что квантовое превосходство может быть возможно с еще меньшим числом кубитов. «В общем случае мы сделали много наихудших предположений, которые могут оказаться ненужными», — говорит Далзелл. Что касается Google, исследователи отмечают, что выводы компании сложно анализировать, потому что Google выбрала такую задачу для квантовых вычислений, для решения которой сложно подобрать известный алгоритм для классических вычислений.
«Я думаю, что их утверждение о том, что они провели вычисления на квантовом устройстве, которые требуют огромных затрат ресурсов на классических компьютерах, в принципе реально, насколько я могу судить», — говорит Далзелл. «Я не могу быть уверенным, что не существует какого-то еще необнаруженного алгоритма классического моделирования, который, если бы мы знали о нем, позволил бы нам повторить эксперимент Google или даже несколько более расширенную версию их эксперимента на реалистичном классическом устройстве. Чтобы максимально пояснить — я не говорю о том, что такой алгоритм обязательно существует. Я просто говорю, что если его вдруг найдут, он не будет совершенно неожиданным».
Суперкомпьютер IBM Summit.
В конце концов, достигли ли мы квантового превосходства в вычислениях? Сделали ли мы что-то, что невозможно сделать на классических устройствах? Или мы просто хотим быть уверенными, что это невозможно сделать даже с помощью алгоритмов, которые мы, возможно, еще не открыли?
Далзелл считает, что «Google, похоже, занимает прежнюю позицию, даже признавая, что они ожидают алгоритмических инноваций, которые снизят стоимость классического моделирования. Но они также ожидают, что прогресс квантовых устройств будет достаточным для поддержания состояния квантового вычислительного превосходства. Они полагаются на аргументы теории сложности только для того, чтобы предположить, что экстремальные улучшения в классическом моделировании маловероятны. И это определенно оправданное толкование».
Также Далзелл отмечает, что квантовые компьютеры хорошо работают, если не учитывать влияние шума, который «убивает» запутанность и тем самым рушит саму суть квантовых вычислений, и на подавление эффектов от которого зачастую уходит большая часть кубитов. «Когда нет шума, аргументы о превосходстве квантовых вычислений находятся на довольно прочной основе», — говорит он. «Но добавьте сюда шум, и вы получите нечто такое, что дает огромный перевес классическим алгоритмам». Так что пока рано говорить о превосходстве квантовых компьютеров над суперкомпьютерами, но мы хотя бы знаем, сколько нужно кубитов, чтобы изменить это.
Читайте также: