Google досяг квантової переваги. Тепер офіційно.
На квантовому комп'ютері, процесор якого складений з 53 елементарних блоків - кубітів на основі надпровідних ланцюгів, вперше вирішено завдання досягнення квантової переваги. Для вирішення спеціальної обчислювальної задачі квантовому комп'ютеру потрібен час на багато порядків менший, ніж для вирішення тієї ж задачі на звичайному найпотужнішому на сьогоднішній день суперкомп'ютері.
Квантова перевага (quantum supremacy) - здатність квантових комп'ютерів вирішувати обчислювальні завдання значно швидше порівняно зі звичайними комп'ютерами, що працюють за принципом машини Тьюрінга. Прискорення досягається за рахунок використання принципово інших алгоритмів вирішення завдань, що володіють більш оптимальною «обчислювальною складністю» і реалізуються завдяки використанню квантових, а не класичних елементарних «блоків» зберігання і переробки інформації. Групі з приблизно 70 авторів, в основному зайнятих в Google AI Quantum в Каліфорнії, вдалося реалізувати експоненціальне прискорення обчислень для вирішення спеціального випробувального завдання в порівнянні з класичним комп'ютером. 23 жовтня стаття з описом результатів була опублікована в журналі Nature.
У парадигмі квантових обчислень для зберігання інформації використовуються кубіти, або q-біти - деякі фізично реалізовані елементи, які можуть знаходитися в двох квантових станах; їх умовно можна позначити як |0> і |1>. У цьому сенсі вони схожі на звичайні елементи для зберігання двійкових одиниць інформації (бітів), які використовуються для запису на магнітних дисках. Там як фізичний параметр, що визначає стан елемента, використовується напрямок спробованості доменів на магнітному кристалі. В оперативній пам'яті комп'ютера в якості таких елементів може використовуватися, наприклад, заряджений або розряджений стан конденсатора.
Квантова природа кубітів передбачає, що вони можуть перебувати одночасно в двох своїх статках 0 і 1 (суперпозиції квантових станів) до виконання акта «вимірювання», який дає якесь з цих двох значень. Стану, набрані поєднанням декількох кубітів, можуть мати властивості квантової заплутаності, що теж дає один з варіантів реалізації квантових обчислень.
Основний поштовх до розвитку квантових обчислень дала опублікована 1994 року робота Пітера Шора (Peter Shor), в якій описано перший «квантовий» алгоритм розкладання чисел на прості множники - завдання, яке має вже практичне значення (наприклад, для криптографії). До цього квантові обчислення були цікаві швидше математикам або кібернетикам як абстрактна побудова, про фізичне його втілення мова не йшла. Тоді ж в середині 1990-х були запропоновані ще кілька квантових алгоритмів для деяких практичних завдань, наприклад, пошуку в неструктурованій базі даних тощо. Починаючи з 1995 року цією темою зацікавилися вже фізики-експериментатори, які шукали можливості побудови фізичних пристроїв-носіїв потрібних квантових властивостей. Тоді ж була запропонована перша фізична реалізація кубітів на основі іонів у пастці і побудований найпростіший «комп'ютер» всього з двох кубітів, що працює як логічний вентиль для реалізації операції CNOT («керованого заперечення»).
З того часу були запропоновані й інші фізичні реалізації кубітів, багато з яких в даний момент активно досліджують на можливість об'єднання їх у квантові процесори. Кілька великих компаній (Google, IBM) в даний час працюють над побудовою своїх моделей квантових комп'ютерів з порівнянними характеристиками (кілька десятків кубітів), використовуючи надпровідні матеріали.
До останнього часу залишалися сумніви, чи реалізовані подібні квантові схеми взагалі, і чи немає принципових перешкод, пов'язаних з перенесенням законів квантового світу в «звичайний». Створення повноцінного квантового процесора передбачає можливість масштабування таких систем, тобто об'єднання безлічі кубітів в один вузол, і реалізації схем корекції помилок в цих системах, на зразок коригування помилок на звичайних лініях передачі даних.
Наступний етап - це побудова робочого екземпляра квантового комп'ютера, не тільки здатного вирішити повноцінну обчислювальну задачу, але і робить це істотно швидше, ніж будь-який сучасний «класичний» комп'ютер. Це називається досягненням «квантової переваги» (quantum supremacy). Місяць тому на сайті NASA промайнула замітка про досягнення квантової переваги, яка скоро з сайту зникла. Тепер же подолання цього рубежу відзначено «офіційно», у вигляді публікації в журналі Nature. У цій роботі квантовий процесор Sycamore був реалізований на надпровідних ланцюгах, за допомогою яких було побудовано 53 кубіти. Це відповідає розмірності гільбертового простору станів 253, або приблизно 1016.Схема розташування кубітів (a) і зовнішній вигляд (b) квантового процесора Sycamore.
Для порівняння швидкодії комп'ютерів обрано завдання, пов'язане з вибіркою вихідного розподілу випадкових квантових ланцюгів. Це одне зі стандартних завдань, пропонованих в останні роки спеціально як випробувальний полігон для порівняння обчислювальної потужності квантових і звичайних комп'ютерів. Квантовий ланцюг - це просто набір послідовних логічних вентилів. Відома алгоритмічна складність вирішення цього завдання класичним комп'ютером: так, для будь-якого комп'ютера час на обробку таких ланцюгів зростає експоненційно з довжиною ланцюга (експоненційна алгоритмічна складність). Це такий же клас складності, як і для затребуваної «задачі комівояжера» з вибором оптимального маршруту між кількома точками при вирішенні методами динамічного програмування. У квантовому алгоритмі обчислення клас складності принципово інший - поліноміальний, за рахунок чого і може бути досягнута величезна різниця в швидкості.
Для тестування алгоритму використовувалося безліч видів квантових ланцюгів різної довжини, складених з комбінацій наявних логічних елементів. У середньому для вибірки одного мільйона випадкових примірників найбільш складних з таких ланцюгів квантовий процесор показав часи близько 200 секунд. Розрахунковий час вирішення цього завдання з тим же ступенем достовірності на найпотужнішому сучасному суперкомп'ютері становить близько 10 000 років. Крім «прогону» алгоритму на квантовому комп'ютері для створення повноцінного звіту про роботу у вигляді статті, необхідно було також вирішити безліч супутніх завдань. На рівні апаратної реалізації - це створення надійних логічних вентилів, які можуть працювати одночасно на прямокутній решітці з кубітів, і налаштування всіх кубітів для роботи як єдиного цілого, з реалізацією необхідної корекції помилок. Далі необхідно було протестувати всі одно- і двокубітові логічні вентилі, кількісно визначивши надійність і стійкість всієї схеми процесора, а також провести безліч інших статистичних перевірок, що дозволяють в кінцевому підсумку підтвердити висновок про досягнення квантової переваги.
Зараз квантові комп'ютери ще не вміють вирішувати прикладні завдання навіть за першими квантовими алгоритмами середини 1990-х років, на зразок завдання Шора. Для цього їм не вистачає «потужності» - кількості надійно працюючих разом кубітів. Розробникам також належить подолати і безліч принципових технічних труднощів.
Вирішувані завдання поки що мають основну мету - вимірювання швидкодії квантових комп'ютерів в їх порівнянні з класичними. Значимість цієї роботи в тому, що вона є першою демонстрацією вирішення такого тестового завдання, яке принципово не може вирішити сучасний суперкомп'ютер за мислимий час. Очевидно, наступним таким же значущим проривом буде реалізація будь-яких з цих відомих алгоритмів, для початку навіть в режимі «класичної перевірюваності», а згодом - вже в режимі «квантової переваги».