Превосходный результат

23 октября группа Джона Мартиниса, руководителя Google Quantum AI Lab, отчиталась о том, что их компьютер Sycamore достиг «квантового превосходства» — за 200 секунд решил задачу, которую мощнейший на планете суперкомпьютер Summit считал бы 10 000 лет. Эту новость мир встретил шумом: где-то торжествующим, а где-то недоверчивым. IQ.HSE рассказывает о «квантовой гонке» и вместе с профессором Вышки Андреем Васенко разбирает достижение Мартиниса и его значение для науки, технологий и нас с вами.

Легкое опоздание превосходства

В 2017 году Джон Мартинис заявил, что его группе нужно буквально несколько месяцев, чтобы добиться для Google квантового превосходства. 2017-й закончился ничем, тихо минул 2018-й, — обещанное мы получили лишь сейчас, в полном соответствии с народной мудростью, на третий год ожидания. 

О том, что американский физик все-таки добился результата , заговорили месяц назад. 21 сентября на одном из сайтов NASA был опубликован — а затем стремительно удален — препринт статьи группы Мартиниса. 23 октября «слив» подтвердился: в журнале Nature действительно вышла статья, фрагменты которой попали к журналистам ранее.

Отчет Мартиниса об испытаниях Sycamore по своей сути ближе к первому испытательному полету братьев Райт над полями Китти Хоук, чем к «маленькому шагу для человека» Армстронга. Результат есть, но пространство для скептического «зачем?», равно как и простого «ну и что?», остается. Не говоря уже о ироническом «вот когда… тогда и поговорим».

Так вот, настало время поговорить. 

Что сделал Мартинис

Машина Джона Мартиниса — это алюминиевый процессор из 54 кубитов на базе джозефсоновских контактов, т.е. контактов двух сверхпроводников через тонкий слой диэлектрика. Вся эта система охлаждается жидким азотом практически до абсолютного нуля.

«Мартинис так об этом говорит, — рассказывает Васенко, — что алюминий это кремний современных квантовых компьютеров, а джозефсоновский контакт — это транзистор». 

Ученые заставляли свой квантовый процессор генерировать псевдослучайные числа. 

Самый простой способ получить случайное число в пределах от 0 до 1 — это бросить монетку. Но оно не будет истинно случайным, потому что ограничено интервалом между 0 и 1. Бросок кубика даст вам чуть более случайное число, чем монетка, но ограниченность его не особенно превосходит монетку, даже если ваш кубик двадцатигранный. Псевдослучайные числа активно используются в современном мире — все в той же криптографии, например. Их получают программно, а «псевдо-» они потому, что делается это согласно определенному (а не случайному) алгоритму. 

В ходе эксперимента на классическом суперкомпьютере генерировалась случайная цепь — порядок наблюдений за кубитами. Затем Sycomore воспроизводил эту цепь и делал несколько тысяч измерений состояний кубитов в ней. Каждое такое измерение превращалось в двоичное число вида 001101…. А затем над ними производилась логическая операция — и итоговое значение либо прогоняли через еще несколько циклов, либо отправляли обратно, кремниевому «коллеге». Полученный массив чисел суперкомпьютер анализировал, чтобы определить, действительно ли они похожи на числа, полученные в результате подобного преобразования случайных чисел.

У «гейта» — операции, которая производилась над полученными числами, — есть ошибка, которая ученым известна. Васенко объясняет, что в этом квантовом компьютере нет системы исправления ошибок: и то по тому, как росла эта ошибка с каждым циклом — повторным прогоном результата через гейт — можно было понять, корректно ли работает квантовый компьютер, т.е. ожидаемо ли росла эта ошибка. 

Важной деталью тут стало то, что ошибка не менялась, когда количество кубитов в цепи увеличивали. На нее влияло лишь число циклов — и, следовательно, квантовый компьютер Мартиниса действительно успешно устанавливал связь между кубитами, не нарушая их суперпозиции.

Квантовый компьютер успешно прошел тест на «короткой дистанции», с небольшим числом кубитов и циклов. Чтобы проверить полную 53-кубитную цепь (один кубит в ходе эксперимента «погиб» и не использовался), классическому вычислителю — самому мощному суперкомпьютеру на планете, Summit из Ок-риджской национальной лаборатории, — потребовалось бы, по оценкам группы Мартиниса, 10 000 лет.

Summit — детище техногиганта IBM, обошелся американскому государству в $200 миллионов. Он проводит 200 миллиардов операций в секунду, состоит примерно из 40 000 процессоров, в каждом из которых миллиарды транзисторов, т.е. «классических» битов.

Числа на полной мощности Sycamore, впрочем, все равно сгенерировали. Ученые сохранили их на будущее, чтобы проверить, если однажды неквантовые компьютеры «дорастут» до необходимых мощностей. В этом предложении, однако, слово «если» под акцентом:

«Суперкомпьютер требует настолько много энергии, что должен сопровождаться атомной электростанцией, которая его содержит, — говорит Васенко. — А сам по себе это футбольное поле по размеру».

Ученый из Вышки не преувеличивает: рассуждая о будущем суперкомпьютерных вычислений, эксперты уже сейчас говорят о необходимости питать их от выделенных электростанций. Все тот же Summit потребляет 13 мегаватт энергии — как небольшой городок. 

«Но энергия, которая тратится на поддержание низких температур [квантового компьютера] на порядок меньше, чем тратится на охлаждение обычного кремниевого суперкомпьютера. Обычный суперкомпьютер просто проигрывает [квантовому] по энергии, — продолжает Васенко. — Даже если залить все это жидким гелием и охлаждать целое [футбольное] поле, как решили в Китае».

Долгая дорога к превосходству

«Судя по всему, и я в этом нисколько не сомневаюсь, сверхпроводимость, которая [уже] получила кучу Нобелевских премий, может теперь получить еще, — резюмирует Васенко. — За создание сверхпроводящего кубита и создание квантового процессора. На вторую может претендовать как раз Джон Мартинис. Первенство в квантовом процессоре он подтвердил». 

Калифорнийский физик в 2014 году создал квантовый компьютер на пяти сверхпроводящих кубитах, в 2015 на девяти и все эти годы продолжал работать, не разгибая спины. Результаты этой работы видны в публикации невооруженным взглядом, считает Васенко.

Не меньшая заслуга принадлежит и создателям первого сверхпроводящего кубита: Ясунобу Накамуре, Юрию Пашкину и Чжоу-Шен Цаю. Они же в 2003 году показали, что такие кубиты можно связывать в цепи.

«Эта команда тоже может претендовать Нобелевскую премию, — говорит Васенко. — Она положила основу всей этой истории, которая закончилась сейчас статьей Мартиниса».

Не только случайные числа

О квантовых вычислителях физики задумались, когда уже вовсю считали на обычных компьютерах — в 80-е годы прошлого века. Тут обычно вспоминают Ричарда Фейнмана. В одной из публичных лекций он указал на то, что машины, на которых мы «посчитаем природу», тоже должны быть квантовыми. Потому что «природа, черт возьми, [это] не классическая [физика], и если вы хотите смоделировать природу, вам нужно сделать эту модель квантово-механической».

Единица информации — это бит, а его физическая реализация в классических компьютерах может находиться в строго одном из двух состояний. Тумблер включен или выключен, лампочка горит или нет, транзистор в процессоре находится под напряжением или нет. Совершенствуя технологии, мы увеличивали их способность «прожевывать» все большее числа битов за такт вычислений. 

За один такт вычислений классический процессор обрабатывает цепочку из нолей и единиц, которые на физическом уровне кодируют транзисторы. Транзистор в каждый момент времени либо «открыт», либо «закрыт», на уровне битов это 1 или 0. И эта цепочка находится только в  одном состоянии, каждый ее ноль уже ноль, каждая ее единичка уже единичка. 

Но в квантовом мире все иначе. Кубит — квантовый бит — находится в суперпозиции: состоянии между 0 и 1.

Соответственно, два кубита одновременно будут 00, и 11, и 10, и 01, то есть находиться сразу в 2² состояниях. В то время как два «классических» транзистора будут чем-то одним: или 00, или 11, или 10 или 01. Три кубита будут находиться уже в восьми состояниях (2³), четыре — в 16 (2⁴). А 53 кубита будут иметь сразу все значения, которые может принимать 53-битная двоичная строка, это 2⁵³ состояний — т.е. 9 007 199 254 740 992. 

«Почему квантовый компьютер мощный? Потому что из n кубитов он делает 2ⁿ параллельных процессов, — объясняет Васенко. — Обычный компьютер должен иметь 2ⁿ транзисторов. А квантовому хватает n кубитов».

Впрочем, поскольку 53-кубитная строка не длиннее 53-битной строки, мы не ускорим наши компьютеры в десятки порядков, если просто сделаем наши транзисторы квантовыми. Когда мы проверяем состояние кубитов, они получают то или иное значение, и если мы хотим, например, сложить два числа, то квантовая машина справится тут точно так же, как и классическая. Или даже хуже: потому что системы из кубитов все еще крайне нежны и нестабильны.

«Революцией, — рассказывает Васенко, — стало создание квантовых алгоритмов [в 90-е годы], которые придумали теоретики: Дойч, Шор, Гровер. Алгоритм Шора вызвал большой ажиотаж, он имеет конкретное приложение к реальной жизни».

Теоретики показали, как с использованием кубитов можно решать осмысленные задачи эффективнее, чем это делают классические компьютеры. Алгоритм Шора позволяет раскладывать числа на множители, и его работоспособность показали на практике IBM в начале этого века. Они — барабанная дробь! — смогли на 7-кубитном компьютере разложить число 15 на 3 и 5. В уме эту задачу люди решают с той же самой скоростью (если не быстрее), но эксперимент был нужен для демонстрации возможности подобных вычислений.

В этом есть определенный повод для тревоги: многие современные системы шифрования строятся на том, что факторизация (разложение на множители) больших чисел требует огромного вычислительного времени от классических машин. Как только где-то появится квантовый компьютер достаточной мощности, современная криптографическая защита станет бесполезна: прощай, безопасный обмен сообщениями, банковские операции, интернет вещей. Достаточной эта мощность, впрочем, не станет еще долго — потребуются процессоры с тысячами кубитов, чтобы это стало возможным.

И вот, стоило в 90-е годы появиться алгоритмам, как все начали создавать кубиты. 

«Я помню этот период, я был еще студентом, — говорит Васенко. — У каждого уважающего себя университета был кубит своей конструкции. Были кубиты на дефектах в кристаллах, на фотонах, на [значениях] спинов молекул, ловушках атомов в холодных магнитных полях».

Под конец этой эпохи, на сломе двух веков появился и сверхпроводящий кубит, теперь, судя по всему, окончательно закрепивший за собой статус будущего индустриального стандарта.

Царь настоящий

Результат Мартиниса вызвал шквал не только восторгов, но и подозрений. 

Последние отчасти связаны с канадской компанией D-Wave и ее машинами — которые канадцы сначала называли квантовыми компьютерами. Их репутация в среде специалистов крайне неоднозначная.

Васенко признает, что D-Wave оказала существенное влияние на научное сообщество. Он, помнит, как “размазывали" и чуть ли не обвиняли в научном подлоге представителей компании, которые приезжали на научные конференции рассказывать о своем продукте. При этом чтобы разобраться с «настоящестью» машин D-Wave, ученым пришлось закатать рукава и разбираться в их работе самим, — потому что даже создатели машины не были уверены в том, как именно она работает.

Сегодня машины D-Wave компьютерами не считают. «Это как симулятор, как нейросеть, которая сама находит свое основное состояние, и потом можно его измерять и находить какие-то ее характеристики, — объясняет Васенко. — Считает она что-либо или ничего не считает, вам ни один человек стопроцентного ответа не даст».

Но машина Мартиниса, хотя и решает пока, подобно D-Wave, строго одну задачу, и никакую другую решить не может, содержательно отличается от нее примерно в той же степени, в которой калькулятор отличается от водопроводного счетчика. 

«Это компьютер. [Его архитектура позволяет ему] решать любые задачи, а не какие-то конкретные симуляционные задачи, как D-Wave или другие квантовые симуляторы», — говорит Васенко.

Результат Мартиниса бьет и по позициям радикальных скептиков. 

Один из них Михаил Дьяконов — крупный ученый, теоретик, специалист по физике конденсированного состояния и квантовой механике, живущий и работающий во Франции. В нашумевшей колонке для журнала IEEE Spectrum Дьяконов в 2018 году писал, что, несмотря на энтузиазм вокруг квантовых вычислителей и миллионы инвестиций, никакой компьютер за последние 20 лет так и не появился. И отмечал: для того, чтобы квантовый компьютер мог приступить к вычислению какой-либо проблемы, имеющей интерес, число кубитов в процессоре должно составить как минимум тысячу.

2¹⁰⁰⁰ — это большое число. Больше, чем гугол (10¹⁰⁰). Больше, чем число субатомных частиц в наблюдаемой Вселенной. Для того, чтобы избежать ошибок при обработке столь большого числа параметров, их необходимо контролировать, считает именитый физик, — а это невозможно.

«Дьяконов великий ученый, я не спорю, — комментирует Васенко. — И ставит квантовые компьютеры в один ряд с гомеопатией. Утверждает, что этого не может быть, потому что этого не может быть никогда… Ну, Эйнштейн тоже был великий человек, но квантовую механику не понимал. Говорил, что бог не играет в кости. Мартинис показывает, что тут никакой проблемы нет, — все прекрасно работает».

Дьяконов считает, что для веры вычислениям квантового компьютера надо контролировать все параметры — то есть возможные состояния кубитов. Но результат Мартиниса, говорит Васенко, показывает, что достаточно контролировать только два: число кубитов в цепи и число логических гейтов, операций, производимых в ходе вычислений. Первая проблема уже решена: число ошибок из-за увеличения числа кубитов в цепи не увеличилось. А на решение проблемы роста ошибок при операциях Мартинис отвел следующие два года своей работы, сообщает собеседник IQ.HSE.

Есть у Мартиниса и другие критики. 21-го сентября в блоге компании IBM — главного конкурента Google в «квантовой гонке» — четверо аффилированных с компанией специалистов опубликовали критический текст по поводу достижения Google. 

По их мнению, превосходство процессора Sycamore еще недостаточно превосходно для того, чтобы говорить об окончании квантовой гонки. В IBM считают, что задачу, которую решал квантовый компьютер Мартиниса, их Summit может решить за 2,5 дня, а не за 10 000 лет. Правда, прошло уже больше времени, а о том, что Summit смог, IBM так и не сообщили.

«Превосходство, нравится или не нравится, все равно достигнуто, — комментирует позицию IBM Васенко. — Потому что даже 2,5 дня все равно больше, чем 200 секунд».

Куда гнаться дальше

«Мы от ерунды перешли к решению задач — пока что экзотических, связанных с самой этой квантовой цепью кубитов. Понятно, что она хорошо решает сама себя. Теперь надо перейти к решению актуальных сторонних задач. Я думаю, что перспективы позитивны», — подводит итог работе Мартиниса Васенко.

Само по себе квантовое превосходство машины из Google действительно пока не дает ощутимых результатов для нас с вами. Корпорация отмечает, что будет искать практическое применение уже созданному Sycamore — в частности, для той же самой криптографии. Для действительно интересных науке или бизнесу задач эта машина пока не подходит. 

Но задачи эти есть.

«Настоящая наука, где можно просто написать формулы, — это все уже сделано, — говорит Васенко. — Когда Лев Давидович Ландау формулы писал, до него уже основные вещи были написаны Гейзенбергом, Шредингером, Паули, Дираком. Ландау тоже сильно продвинул науку, но сейчас [работать] на кончике пера — ну, нет уже такого. Наука перешла к решению сложных численных задач, и в физике они наиболее актуальны». 

Поэтому, подчеркивает собеседник IQ.HSE, в современной науке фраза «за любым крупным человеком стоит крупный компьютер» чем дальше, тем правдивее.

«Главная задача, которая перед нами стоит, это моделирование больших молекул, новые материалы, — объясняет он. — Все эти вещи — передний фронт современной науки. Они моделируются на суперкомпьютерах, фактически, упрощенными уравнениями Шредингера. Задаются координаты всех атомов и дальше считается. Обычный ноутбук не справляется с такими расчетами. Рассчитывается зонная структура веществ или какие-то другие характеристики. Ну, например задача фолдинга белков — почему белок складывается так, а не иначе? К ней мы даже не подступились. Она слишком сложная».

Поэтому ни для явно раздосадованных соперников Мартиниса из IBM, ни для самого Мартиниса, ни для остальных участников «квантовой гонки» само по себе достижение квантового превосходства, в общем-то, гонки не заканчивает. 23 октября 2019 года прозвучал лишь стартовый выстрел. Опять.