Китайские физики вторыми в мире достигли квантового превосходства. Чего-чего? Превосходства над чем?
Физики из Научно-технического университета в Шанхае рассказали в журнале Science о создании квантового компьютера, которому удалось продемонстрировать квантовое превосходство — способность решить задачу, находящуюся за пределами возможностей самых современных суперкомпьютеров. Вычислитель получил название Цзючжань (Jiuzhang); в ходе демонстрации ему всего за несколько минут удалось провести операцию, которая традиционным путем решалась бы около двух миллиардов лет. Вторая в истории демонстрация квантового превосходства состоялась ровно год спустя после первой (в октябре 2019-го об аналогичном достижении сообщила группа Джона Мартиниса из исследовательского подразделения Google), однако не является ее воспроизведением. Вычислители сильно отличаются друг от друга и созданы на разных физических платформах. О том, какая в итоге победит в квантовой гонке, специально для «Медузы» рассказывает Алексей Федоров, руководитель группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра.
О китайской платформе и ее конкурентах
Квантовые вычислительные устройства можно создавать с использованием различных физических систем. Например, компания Google работает со сверхпроводниковыми цепочками, а в новом эксперименте, сделанном группой Цзянь-Вэй Пана (Jian-Wei Pan), основой является оптика. В таком случае носителями квантовой информации выступают частицы света — фотоны.
Помимо этих двух систем, сейчас в мире активно идут эксперименты по созданию квантовых вычислительных устройств на основе ультрахолодных атомов и на ионах. Именно эти четыре платформы (сверхпроводниковые цепочки, фотоны, атомы и ионы) и считаются наиболее перспективными для реализации в ближайшем будущем квантовых компьютеров, которые смогут демонстрировать квантовое превосходство — то есть сделать что-то такое, что уже не доступно обычным суперкомпьютерам.
Определенная интрига в том, что у каждой из этих платформ есть свои преимущества и недостатки. Какая из них станет наиболее успешной, пока совершенно не очевидно. В последние годы значительный прогресс был достигнут в развитии сверхпроводниковой платформы, она была использована для демонстрации Google квантового превосходства. В работе группы Пана из Научно-технического университета Китая было продемонстрировано, что квантового превосходства можно также добиться с использованием оптических квантовых вычислителей.
Я думаю, сейчас ни один специалист в мире не возьмется предсказать, на какой физической платформе будет построен самый мощный квантовый компьютер. Можно ожидать, что для разных задач будут использоваться квантовые компьютеры, основанные на разных принципах. Спектр этих задач крайне широк и требует отдельного обсуждения — но достаточно упомянуть, что речь идет и о компьютерном поиске новых лекарств, и о предсказании материалов с необычными свойствами, и о всех тех задачах, где используется машинное обучение.
О сути вычислений и проверке точности эксперимента
Как и в случае эксперимента компании Google, та задача, которую решал китайский квантовый вычислитель, носила в первую очередь демонстрационный характер. Речь в обоих случаях — о задачах, специально сконструированных так, чтобы их было тяжело решить с помощью классических компьютеров. В случае прошлогодней работы Google это была задача моделирования случайных квантовых цепочек (random quantum circuits).
Работает это следующим образом. Над достаточно большим количеством квантовых битов, кубитов (в случае Google их было 53), совершается длинная последовательность операций (в эксперименте Google — более 1500) и проводится измерение результатов. Получить такие же результаты на классическом суперкомпьютере будет крайне сложно из-за огромного числа возможных состояний, в которых может находиться система (для вычислителя, где 53 кубита, их будет 2⁵³).
Китайская группа сделала нечто похожее: фотоны проходили по сложным оптическим путям, которые соответствовали случайному преобразованию их состояний (напомним, что именно в этих состояниях и закодирована информация). В результате, на выходе, появлялось определенное распределение, которое очень сложно получить на классическом суперкомпьютере. Такая задача называется бозонным сэмплингом (boson sampling). Ее невозможно за разумное время получить на обычном суперкомпьютере, а для фотонного квантового компьютера распределение возникало просто в результате самого эксперимента — оно и было результатом его запуска.
Авторы эксперимента приводят оценки того, как долго пришлось бы решать эту задачу на обычном суперкомпьютере — там есть два разных варианта для двух разных суперкомпьютеров, но речь в любом случае идет о миллиардах лет. Это и есть демонстрация квантового превосходства: квантовый вычислитель решил задачу, для которой классическому суперкомпьютеру требуется колоссальное время.
Конечно, поскольку квантовое превосходство по определению подразумевает сравнение с моделированием на обычном компьютере, которое можно делать по-разному, то всегда возникают споры об оценках этого «классического сценария» — сколько, как мы полагаем, должно занять решение той же задачи на классическом суперкомпьютере. Тут появляется пространство для разных взглядов. Такие дискуссии имели место и в случае прошлогодней демонстрации Google, они продолжаются и сейчас. Что мы точно знаем, так это то, что авторы новой статьи потратили очень много сил на расчеты на суперкомпьютере. Конечно, у них не было миллиардов лет, чтобы эту задачу полностью просчитать обычным способом, но они решили несколько отдельных «фрагментов» этой задачи.
Так, один из рецензентов этой статьи, Скотт Ааронсон, приводит такой красноречивый факт. По его словам, авторы эксперимента только на вычислительное время для моделирования на суперкомпьютере потратили более 400 тысяч долларов — это требовалось для того, чтобы независимо подтвердить полученные результаты. То есть классическая симуляция оказалась очень дорогой и в нужной степени достоверной. Скотт Ааронсон не просто независимый рецензент — он один из соавторов того самого подхода бозонного сэмплинга, который использовали ученые под руководством Цзянь-Вэй Пана и который позволил устроить нынешний «экзамен» на квантовое превосходство. (Скотт также был одним из рецензентов статьи Google о квантовом превосходствe.)
Работа впечатляет не только тщательностью используемых проверок, но и техникой исполнения: 50 состояний света, 100 высокоэффективных детекторов одиночных фотонов, 100-модовый интерферометр. Большое количество тонких и тщательным образом настроенных оптических элементов и измерительных приборов, которые позволяют сделать именно то, что необходимо. Даже многих специалистов впечатлил масштаб эксперимента и уровень его технической сложности.
О будущем для мировой квантовой гонки
То, что после Google новый шаг на пути создания квантовых вычислителей сделан именно в Китае, для специалистов нисколько не удивительно: в последнее время Китай стал очень серьезным игроком на рынке квантовых технологий. Вспомните хотя бы недавний запуск спутника для квантовых коммуникаций.
Проведенный эксперимент по демонстрации квантового превосходства — это огромная новость и очень большой прорыв. Это еще одно доказательство того, что мы с вами начинаем жить в принципиально новую эпоху — когда квантовые компьютеры начинают обгонять самые лучшие классические вычислители. Прямо сейчас мы видим уже второе свидетельство наступления этой новой эры, и это огромный прорыв для человечества. Следующим большим шагом будет демонстрация квантового превосходства для полезной и востребованной задачи, например, из области моделирования сложных (физические, химические, биологические или другие) систем.
Россия активно включилась в квантовую гонку, об этом около года назад написал научный журнал Nature. Принята также «дорожная карта развития квантовых вычислений». Если говорить о текущем статусе, в России созданы ключевые элементы для всех основных платформ квантовых вычислений. Следующий шаг состоит в их масштабировании и демонстрации решения задач с помощью них. Стоит отметить, что программа ориентирована не только на «железо» и процессоры, но и на программное обеспечение. Для следующего прорыва в квантовых вычислениях определенно необходимы оригинальные идеи — традиционно сильная сторона российских ученых.
Автор: Алексей Федоров
Редактор: Александр Ершов