Самый быстрый: как новый квантовый компьютер от Google изменит мир

Компания Google заявила о создании 72-кубитного квантового компьютера. Потенциально это самая мощная вычислительная система на данный момент. Пора ли хоронить традиционные компьютеры?

Квантовое превосходство

Анонс был сделан на ежегодных мартовских встречах Американского физического общества, одного из самых крупных в мире мероприятий для физиков, конференция объединяет более 10 000 участников со всего мира. Поэтому выбор площадки для объявления Джоном Мартинисом результатов работы его группы в Google является неслучайным — среди докладчиков и участников конференции ключевые фигуры «квантовой гонки», включая Михаила Лукина из Гарвардского университета, представителей IBM и Intel.

Квантовые компьютеры используют необычные свойства частиц квантовой природы для получения ускорения в решении ряда математических задач, например, при разложении чисел на простые множители или моделировании химических соединений. В этих задачах квантовый компьютер гораздо эффективнее классического, но для создания квантовых компьютеров требуется решить сложную научно-инженерную задачу.

Элементами квантовых компьютеров являются кубиты (квантовые биты — аналоги классических битов информации, являющихся элементарными единицами для вычислений). В отличие от классических битов, которые принимают значения либо 0, либо 1, квантовые системы находятся одновременно в этих состояниях. Такой «параллелизм» является ключевым для получения ускорения при решении задачах. Центральной проблемой является масштабируемость квантовых компьютеров: из-за хрупкости квантовых состояний тяжело создать систему из достаточно большого количества кубит, поскольку из-за воздействия окружения квантовые состояния разрушаются и в процессе вычислений возникают ошибки.

При этом считается, что порог «квантового превосходства» (quantum supremacy) находится на уровне 50 кубит — такая квантовая система потенциально может решать задачи, которые являются непосильными для самых быстрых суперкомпьютеров, построенных на полупроводниках (всех тех системах, что используются сейчас).

Конкуренты

Квантовый процессор от Google с 72 кубитами потенциально является значительным шагом вперед по сравнению с анонсированными в прошлом году 49-кубитными процессорами IBM и Intel, 51-кубитной системой Гарвардского университета и 53-кубитного симулятора Криса Монро из Объединенного квантового института в Мэриленде.

Кроме количества кубитов, важным является количество ошибок, совершаемых квантовым компьютером при работе. Группа Мартиниса развивает технологию построения квантовых компьютеров с использованием сверхпроводящих кубитов. Предыдущая модель из 9 кубит обладала очень низким уровнем ошибок. Интересным приемом при проектировании нового 72-кубитного процессора является переход от структуры цепочки, которая была реализована в 9-кубитном процессоре, к архитектуре двух массивов из 36 кубит. Такая схема расположения кубит позволяет задействовать квантовые коды исправления ошибок — отслеживать и исправлять ошибки в ходе вычислений. В результате в новом процессоре производительность выросла без вреда для результатов вычислений, поскольку удается сохранить достаточно низкий уровень ошибок.

В России также проектируются квантовые компьютеры на задействованных в работе Мартиниса сверхпроводящих кубитах. Российский квантовый центр, Институт физики твердого тела РАН, МИСиС, ВНИАА им. Духова и МГТУ им. Н.Э. Баумана ведут работы по разработке квантового компьютера, использующего несколько кубит. Несмотря на количественное отставание, разрабатываемые технологии для приготовления, управления и измерения квантовых состояний будут полезны для масштабирования и создания следующих поколений сверхпроводящих квантовых процессоров.

Хотя крупных проектов по созданию квантовых компьютеров не так много, команды серьезно конкурируют между собой. При этом отдельное внимание уделяется взаимодействию команд физиков с уже существующей в IT-компаниях экспертизой по инженерии и информационным технологиями. Примеры Google и IBM показывают, что такой подход позволяет достаточно быстро развивать сложные научно-технологические проекты, к которым, безусловно, относится квантовый компьютер.

Борьба за квантовое превосходство идет сразу по нескольким фронтам. Строятся более мощные и более совершенные архитектуры квантовых компьютеров, ищутся более эффективные квантовые алгоритмы и подходящие задачи. Тем не менее остаются важные вопросы по дальнейшему масштабированию схемы и количеству операций, которые можно будет выполнять.

Практическое применение

Переводя вопрос в практическую плоскость можно спросить: насколько полезны те задачи, которые могут быть решены на квантовом компьютере группы Мартиниса?

Квантовые компьютеры разительно отличаются от традиционных. В них пока нельзя и думать загрузить операционную систему Windows (или Linux), сложное ПО и посчитать, быстро он работает или нет. Поэтому ученым приходится отдельно исследовать задачи, в которых может быть очевидно преимущество сверхпроводящего процессора над традиционным. Интересно, что как раз группа Мартиниса в сентябре опубликовала работу, в которой описала такую задачу, но пока неизвестно, удалось ли на практике проверить новый 72-кубитный процессор.

Сформулированная задача является абстрактной и не имеет практического приложения. Очевидно, что после демонстрации самого факта «квантового превосходства», пусть и на абстрактной задаче, необходимо будет найти полезный для индустрии кейс применений квантовых вычислений. В этом направлении серьезную конкуренцию Google составляют IBM (в рамках проекта IBM Q Experience) и Rigetti Computing, которые открыли облачный доступ к своим квантовым платформам. Также к ним присоединяется компьютер от Alibaba, созданный в рамках совместного проекта с Китайской академией наук.

Собирая данные по решенным задачам, можно получить большой объем информации о направлениях, которые могут быть интересны для конечных пользователей. Откроет ли Google доступ к своему компьютеру? Покажет ли решение абстрактной или полезной задачей для квантового превосходства? Насколько обоснован оптимизм относительно дальнейшего масштабирования системы? Ближайшие месяцы должны дать ответы на эти ключевые вопросы.