Ура, физики из Google достигли квантового превосходства! А может, и не достигли! Мы не знаем, они не знают, никто не знает — на то оно и квантовое…

Группа физика Джона Мартиниса из Google объявила на страницах журнала Nature о достижении «квантового превосходства» — ученым, по их словам, удалось с помощью нового устройства, названного Sycamore, решить задачу, недоступную даже для самых мощных «обычных» суперкомпьютеров. Результат, полученный физиками за 200 секунд, на суперкомпьютере Summit (текущем рекордсмене), пришлось бы ждать 10 тысяч лет. Однако в IBM, построившей Summit (и работающей над собственным квантовым компьютером), с этими расчетами категорически не согласны и считают заявления о достижении «превосходства» преждевременными. О чем поспорили технологические гиганты, почему статус квантового превосходства сам оказался неопределенным и что вообще такое квантовые компьютеры?

По странному стечению обстоятельств статья с описанием нового устройства группы Мартиниса выходила дважды. Еще 23 сентября она появилась на сайте NASA, однако была очень быстро удалена (ее копия сохранилась). Было ли это сделано по технической ошибке или же потому, что в препринте пришлось что-то срочно исправить, мы не знаем — комментариев на эту тему авторы не давали.

В любом случае, результат, который сообщается в новой статье — если, конечно, он соответствует действительности — уже сравнивают с первым полетом братьев Райт и с испытанием водородной бомбы. Речь идет о наступлении эры «квантового превосходства», появлении вычислителей принципиально иного типа, которые могут решать задачи, совершенно недоступные для самых современных классических ЭВМ. И даже если возможности нынешних суперкомпьютеров в Google сильно недооценивают — как на том настаивают специалисты IBM — новая работа Мартиниса и его коллег все равно достойна того, чтобы разобраться с тем, что вообще такое квантовые вычисления.

Что именно сделали в Google?

Инженеры калифорнийской компании создали новый процессор, получивший название Sycamore. Он состоит из 53 «кубитов» — так называют элементы, которые хранят квантовые биты информации. Это не рекорд, а уже стандартное на сегодняшний день число элементов. Предыдущая разработка, Bristlecone, анонсированная Google в марте 2018 года, имела целых 72 кубита — но, видимо, работала не так хорошо, как ожидали ее создатели.

Схема у Sycamore довольно простая. Кубиты в устройстве расположены в виде двумерной сетки. Каждый из элементов соединен с четырьмя другими с помощью особого вида «контактов», которые можно замыкать или размыкать — и таким образом контролировать, какие пары кубитов взаимодействуют, а какие — нет. Состояние каждого из них в конце эксперимента можно считывать независимо от остальных. Результат такого считывания — последовательность нулей и единиц длиной в 53 символа — и есть результат вычислений.

Что при этом, собственно говоря, вычисляется, объяснить значительно сложнее. Если совсем коротко, то речь идет о задаче, похожей на генерацию случайных чисел — в блоге Google ее описывают как «Hello world» квантово-компьютерного мира. Алгоритм подразумевает соединение кубитов в случайную последовательность переключателей (логических вентилей) и считывание полученного результата. Из-за взаимодействия кубитов друг с другом результат будет не случайным, а псевдослучайным — в нем будут наблюдаться вполне предсказуемые аномалии.

Здесь, собственно, и происходит главный поворот сюжета — дело в том, что предсказуемость этих аномалий очень сложная, для вычисления того, как они должны выглядеть, требуется очень много ресурсов обычных компьютеров. И именно поэтому такая, почти бесполезная (в практическом смысле), задача была выбрана инженерами Google для демонстрации квантового превосходства. Поскольку целью эксперимента было не получение практического результата, а демонстрация принципа, авторы выбрали задачу, максимально сложную для обычных машин и максимально простую — для квантовых.

Как понять, что квантовый компьютер все правильно посчитал, когда его нельзя проверить?

Проверить вычисления, которые заняли бы 10 тысяч лет, действительно нельзя. Авторы новой статьи это тоже понимали, поэтому использовали в эксперименте подход от простого к сложному: сделали серию экспериментов в упрощенном виде, проверили их с помощью симуляции на обычном компьютере и только затем провели главный эксперимент. Результаты последнего эксперимента, кстати говоря, авторы специально сохранили на случай неожиданного появления алгоритма, способного радикально сократить время проверки.

Вычисления на Sycamore делали в трех вариантах — когда в устройстве были соединены все кубиты, когда оно было разделено на две не сообщающиеся друг с другом части, и когда эти части были соединены, но связь между ними была ограничена. Недоступным для симуляции был только первый, полносвязный вариант, а предсказуемые результаты в остальных случаях оказались в хорошем соответствии с теорией.

О чем спор с IBM?

О том, можно ли называть результат эксперимента достижением квантового превосходства. В Google на этот вопрос однозначно отвечают — «да», в IBM призывают относиться к таким заявлениям с «большой долей скептицизма». Все, конечно, упирается в определение понятия, введенного в обиход в 2012 году Джоном Прескиллом.

По Прескиллу, говорить о квантовом превосходстве можно лишь тогда, когда с помощью квантового компьютера становится возможным «выполнять задачи […] выходящие за рамки того, что может быть достигнуто с обычными цифровыми компьютерами». Инженеры IBM подробно объясняют, что расчеты группы Мартиниса о 10 тысячах лет, которые требуются для симуляции квантовых вычислений на Sycamore, не учитывают важные особенности классических компьютеров и поэтому ошибочны. По собственным расчетам IBM, такая задача потребует всего два с половиной дня — это, конечно, больше, чем 200 секунд на Sycamore, но недостаточно для того, чтобы объявлять о достижении квантового превосходства в том значении, о котором говорил Джон Прескилл.

Здесь следует напомнить, что сама IBM активно занимается исследованиями в области квантовых вычислений, поэтому ее претензии к работе Мартиниса могут (по крайней мере частично) объясняться нежеланием отдавать пальму первенства Google.

Еще в 2017 году инженеры компании показали квантовый компьютер из 50 кубит, а в начале сентября (за пять дней до фальшстартовавшей публикации Google) «голубой гигант» анонсировал открытие центра вычислений, где будет доступен новый, 53-кубитный компьютер серии Q.

Впрочем, прогресс в три кубита за три года не должен вводить в заблуждение, — на сегодняшний день главная характеристика для таких устройств вовсе не количество элементов, а та точность, с которой они способны работать, время жизни квантового состояния внутри компьютера и связность кубитов между собой — чем она больше, тем сложнее создать такое устройство, но одновременно и тем больше его возможности. Поэтому насколько конкурентноспособным окажется новый компьютер на фоне гугловского Sycamore, можно будет узнать, только увидев его в работе.

Как вообще устроены квантовые компьютеры? Чем они лучше обычных?

Квантовые компьютеры не лучше и не хуже классических. Они просто другие. Важных отличий много, но вот три принципиальных.

Во-первых, информация в них хранится в квантовой форме — то есть вместо единиц и нулей здесь инженеры имеют дело со смесью, «суперпозицией» обоих вариантов. Результат вычислений ученые получают, конечно, в виде обычных единиц и нулей, но вот на этапе вычислений в каждом кубите единицы и нули смешаны — и это состояние важно уметь сохранять, потому что именно в нем сила таких устройств.

Во-вторых, в квантовых компьютерах память и процессор не отделены друг от друга — кубиты одновременно взаимодействуют друг с другом и хранят в себе информацию.

В-третьих, квантовые компьютеры не могут заменить обычные в быту. Их предназначение прежде всего касается моделирования квантовых систем, (например, изучение взаимодействия лекарств с другими молекулами в организме), создания новых материалов (например, сверхпроводников) и машинного обучения (где требуется длительный перебор вариантов).

Все квантовые вычислители устроены на принципиальном уровне довольно просто. Они состоят из кубитов и связей между ними. Кубиты могут быть очень разными — квантовую информацию можно хранить и в заряженных ионах, и в нейтральных атомах, зафиксированных в специальной лазерной ловушке, и даже в дефектах внутри алмазов. В данном случае группа Мартиниса использовала вариант, который и внешне, и в плане возможностей будущего производства наиболее близок к обычным транзисторам — это чип, состоящий из сверхпроводящих антенн, погруженный в специальный холодильник.

Информацию в кубит загружают с помощью магнитного поля или лазера, считывают так же. При вычислении информацию загружают, дальше квантовую систему предоставляют саму себе, кубиты как-то взаимодействуют между собой и в конце, во время измерения, приходят в обычное классическое состояние: то, что было смесью нулей и единиц, «коллапсирует» в нули или единицы.

Самое сложное в создании квантовых компьютеров — собрать из этих простых элементов систему логических переключателей («вентилей» вроде И, НЕ и ИЛИ) которые предсказуемо взаимодействовали бы между собой, и в которой переход кубитов из одного состояния в другое выполнял бы какое-то полезное и понятное вычисление.

Если это удастся сделать, то «квантовость» системы начинает работать на инженеров — поскольку кубиты могут одновременно находиться во всех возможных состояниях, то квантовый компьютер фактически одновременно перебирает все возможные варианты решения задачи. И если хотя бы один из них дает нужный результат — ученые могут его использовать.