Квантовое будущее, превосходство и вот это все — что происходит, кто участвует в гонке и какие есть успехи

Вот уже несколько десятилетий корпорации вкладывают миллиарды в разработку квантовых процессоров, обещая радикально изменить будущее вычислений. Мы слышим громкие заявления о рекордах: достижении «квантового превосходства» или прорывных алгоритмах, способных положить конец современной криптографии.

Но за яркими заголовками часто скрывается куда менее оптимистичная реальность. «Революционные» заявления не выдерживают проверку временем и учеными умами: в методиках находят изъяны, а практическое применение технологий постоянно откладывается. Мы в beeline cloud решили взглянуть на эту тему и подробнее изучить вопрос о том, где же заканчивается «квантовый» маркетинг.

Квантовое превосходство Шредингера

В 2018 году ежегодную встречу Американского физического сообщества в Лос-Анджелесе ознаменовало важное событие: Google представила 72-кубитный квантовый процессор — Bristlecone. В его основе лежали сверхпроводящие кубиты — микроскопические кольца из сверхпроводника с диэлектрической вставкой. Ток в них циркулировал в двух направлениях одновременно, создавая эффект квантовой суперпозиции. Тогда же в компании заявили, что 49 кубитов и двухкубитной ошибки не выше 0,5% будет достаточно для достижения «квантового превосходства» — момента, когда квантовый компьютер сможет провести сложное математическое вычисление, которое не способны воспроизвести классические машины (за разумный промежуток времени). «Мы можем достичь квантового превосходства уже в этом году», — заявил Джон Мартинис, глава команды инженеров Google.

Однако спустя всего два месяца специалисты из Alibaba опубликовали исследование, в котором подвергли сомнению оптимистичные заявления коллег. Они утверждали, что для достижения квантового превосходства необходимы значительно более низкие уровни ошибок, чем те, что продемонстрировал Bristlecone. С их выводами согласились и эксперты, в том числе профессора Колорадского университета.

Год спустя история повторилась. В Google спроектировали 53-кубитный процессор Sycamore, который решил специализированную квантовую задачу за двести секунд. В статье, опубликованной в журнале Nature, исследователи утверждали, что проведение аналогичной симуляции на суперкомпьютере Summit займет ни много ни мало 10 тыс. лет. Однако тут на сцену вышли специалисты IBM, принимавшей непосредственное участие в построении Summit, и заявили, что конкуренты ошиблись в своих оценках в 1,5 млн раз. По их расчетам, суперкомпьютер мог бы решить ту же задачу не за 10 тыс. лет, а всего за 2,5 дня — причем с более высокой точностью.

Претензия IBM заключалась в методологии. Оценка Google была основана на предположении, что для хранения полного квантового состояния не хватит оперативной памяти. Но гибридный метод Шрёдингера — Фейнмана позволил бы обойти это ограничение. Иными словами, представители Google использовали в своей презентации неоптимальный способ классической симуляции, что, по мнению инженеров IBM, искажало картину. В 2022 году китайские исследователи поставили точку в этом споре. Они повторили вычисления, произведенные Sycamore, на обычных процессорах — и добились результата за несколько часов. «Если бы у них был доступ к достаточно мощному суперкомпьютеру, они смогли бы симулировать эту задачу за секунды», — так прокомментировал эту новость Скотт Ааронсон, ученый из Университета Техаса.

В марте этого года уже компания D-Wave (их устройства используют альтернативную технологию квантового отжига) заявила, что достигла квантового превосходства на задаче расчета модели Изинга. D-Wave утверждала, что их квантовый процессор справился с этой задачей за минуты, тогда как, по их оценкам, суперкомпьютеру Frontier потребовались бы миллионы лет. Но история с прошлыми квантовыми решениями показала, что заявления о квантовом превосходстве требуют строгой проверки. Даже если квантовый компьютер и способен произвести вычисления с большей скоростью, это не значит, что он делает это наиболее эффективным образом — особенно если классические алгоритмы можно оптимизировать.

Поэтому скептики полагают, что история повторится вновь: как и в предыдущих случаях, развитие классических алгоритмов может опровергнуть заявления D-Wave. Редакция журнала Nature пообщалась со специалистами по оптимизации классических вычислительных систем. Те уверенно заявили, что смогут воспроизвести результаты D-Wave с помощью традиционных (неквантовых) методов. И примечательно, что именно D-wave одной из первых попала в этот замкнутый цикл: сначала заявления о превосходстве, затем — их опровержение.

Кто участвует в гонке

В конце прошлого года Google представила квантовый процессор Willow. Одной из его особенностей стала реализация поверхностного кода — передового метода квантовой коррекции ошибок. В этом подходе логические кубиты кодируются с помощью нескольких физических, что позволяет значительно снизить количество дефектов вычислений.

Кроме того, инженеры Google представили декодер, который исправляет эти ошибки на лету — с задержкой в 1,1 мс. Глава подразделения Google Quantum AI Хартмут Невен в своём блоге назвал результаты Willow ошеломляющими: «Процессор выполнил расчёт менее чем за пять минут, тогда как даже наиболее мощным суперкомпьютерам для этого понадобилось бы 10 септиллионов лет». В то же время Willow разжёг дискуссию об основах квантовой механики. Невен отметил, что столь невероятное превосходство над классическими компьютерами заставляет задуматься о природе квантовых вычислений. По его словам, подобные результаты косвенно подтверждают гипотезу мультивселенной.

Тем временем Китай не остаётся в стороне. В конце прошлого года китайские специалисты представили новый 105-кубитный процессор Zuchongzhi 3.0. Его главное преимущество — повышенная стабильность кубитов, которые теперь дольше сохраняют своё квантовое состояние и выполняют более сложные вычисления.

Может показаться, что в квантовой гонке участвуют всего две страны — США и Китай. Однако и российские специалисты занимаются профильными разработками. В Российском квантовом центре совместно с коллегами из МГУ разработали прототип 50-кубитного процессора на основе атомов рубидия. Одним из перспективных направлений в России является использование кудитов — частиц, способных кодировать сразу несколько кубитов. Они не только увеличивают вычислительную мощность, но и позволяют реализовывать более эффективные алгоритмы. Кроме того, в России уже появился первый квантовый компьютер с облачным доступом.

Квантовое будущее здесь (почти)

На сегодняшний день практическая применимость всех новых чипов все еще остается под вопросом — эксперты отмечают: да, они хорошо показывают себя на бенчмарках, но бенчмарки далеки от практического применения. Синтетические тесты, разработанные для демонстрации вычислительных способностей квантовых машин, ставят их в изначально выигрышное положение по сравнению с традиционными системами.

Учитывая этот факт, директор NVIDIA считает, что квантовые компьютеры будут «бесполезны» еще как минимум десять лет. Правда, сказал он это всего за неделю до того, как компания объявила о крупных инвестициях в строительство профильного исследовательского центра в Бостоне. В то же время одной лишь скорости вычислений недостаточно — ключевой проблемой остаются ошибки. Чтобы квантовые компьютеры стали по-настоящему полезными, нужны продвинутые алгоритмы коррекции сбоев и стабильные кубиты. И работа в этом направлении ведется: например, соответствующие технологии развивает все та же NVIDIA. Более того, в индустрии встречаются идеи использовать для исправления ошибок машинное обучение и системы ИИ. Американские и китайские инженеры предполагают, что они смогут повысить эффективность декодирования, улучшить адаптивность систем и создать модели предсказания ошибок.

Но помимо программных сложностей остаются и аппаратные ограничения. Сегодня кубиты чаще всего делают из сверхпроводящих металлов — тантала и ниобия — поскольку они обладают почти идеальной проводимостью и устойчивостью. Однако в новом исследовании учёные из Манчестерского университета предложили альтернативу: кремний-28 (Si-28). Очищенный от примесей, этот материал может стать основой для более стабильных и дешевых кубитов.

Если устойчивые к ошибкам квантовые машины всё же появятся, они смогут решить множество практических задач: от оптимизации химического моделирования и создания новых материалов до помощи в отдельных отраслях — например, в фармацевтике, логистике и других сферах. Но даже если квантовые вычисления окажутся тупиковой ветвью, это не будет провалом. Как отмечает специалист по квантовым вычислениям Скотт Ааронсон, их развитие — это не просто погоня за сверхбыстрыми вычислениями, а поиск новых фундаментальных знаний о Вселенной. Если окажется, что квантовые компьютеры не могут работать так, как мы задумываем, это открытие само по себе станет важным для науки и подтолкнёт развитие технологий.

В ожидании наступления этого самого квантового будущего, можно почитать книги по теме. Мы собрали несколько свежих материалов на русском и английском языке:

• «Understanding Quantum Technologies». Книгу написал Оливье Эзратти — специалист по квантовым технологиям, а также сотрудник французской Школы информатики и передовых методов (EPITA). Это — исчерпывающий материал, покрывающий самый широкий набор тем, включая историю квантовой физики, квантовые алгоритмы, программный и аппаратный инструментарий, а также разбор научных исследований. Книга на английском языке, её можно скачать бесплатно. Также есть сокращенная версия материала — выжимка на 26 страницах.

• «Квантовое превосходство». Русскоязычное издание книги известного физика Митио Каку. Материал можно отнести к категории научпопа, поэтому и подача соответствующая. Автор пытается рассказать о сложных концепциях, открытиях и достижениях простым языком. Он пишет о проблемах человечества, которые (в теории) смогут решить квантовые компьютеры будущего.

• «Quantum Computing for the Quantum Curious». Эта книга сокращает разрыв между научно-популярной литературой и специализированными материалами. Но для её понимания достаточно знаний школьной физики. Авторы рассматривают принципы квантовой механики и ключевые концепции, лежащие в основе квантовых вычислений: суперпозицию, квантовую запутанность и квантовое измерение. Материал из открытой библиотеки, его можно скачать и прочитать бесплатно.

beeline cloud — secure cloud provider. Разрабатываем облачные решения, чтобы вы предоставляли клиентам лучшие сервисы.