Квантовое превосходство: Что значит появление нового 72-кубитного чипа Bristlecone от Google

Чип Bristlecone от Google

5 марта компания Google представила Bristlecone, первый 72-кубитный чип (кубит - единица вычислений в квантовой машине), не имеющий аналогов в мире. Предыдущий рекорд - это всего лишь 50-кубитовый процессор, созданный компанией IBM в прошлом году.

Глава лаборатории квантового искусственного интеллекта Google Quantum AI Lab Джон Мартинис заявил, что его команде потребуется большое количество тестов, но он считает, что через несколько месяцев новый чип достигнет “квантового превосходства” - точке, на которой квантовый компьютер может делать вычисления, недоступные сегодня самым быстрым суперкомпьютерам.

Когда Google или другая команда разработчиков объявят об успехе, можно ждать потоков заголовков СМИ о наступлении новой захватывающей эпохи. Предполагается, что квантовые компьютеры помогут человечеству открыть новые фармацевтические препараты и создать новые материалы.

Но реальность гораздо сложнее. “Вы изо всех сил пытаетесь найти любого исследователя, которому нравится термин “квантовое превосходство””, - заявил Саймон Бенджамин, квантовый эксперт из Оксфордского университета. То есть по сути никто не может объяснить, что вообще означает термин, красиво вброшенный Google.

Что такое кубиты

Чтобы понять, откуда взялся термин “квантовое превосходство”, необходимо пояснить, что означает ключевое понятие - кубиты (или квантовые биты). Магия квантовых компьютеров заключается именно в этих кубитах. В отличие от бит на классических компьютерах, которые хранят информацию как 1 или 0, кубиты могут существовать в нескольких состояниях 1 и 0 одновременно - явление, известное как суперпозиция. Они также могут влиять друг на друга, даже когда они физически не связаны, - процесс известен как запутывание.

Чем больше кубитов имеет квантовый компьютер, тем выше его производительность. Из этого следует, что добавление дополнительных кубитов в квантовую машину может увеличить ее вычислительную мощность. Поэтому многие квантовые компьютеры превосходят даже самые мощные из современных суперкомпьютеров.

Однако для создания кубитов требуются потрясающие технические навыки, такие как построение сверхпроводящих схем, которые хранятся при температурах холоднее космического пространства (подход, который использует Google). Это необходимо, чтобы изолировать их от внешнего мира. Изменения температуры или малейшие вибрации могут вызывать разложение кубитов и потерю хрупкого квантового состояния.

Но как поддерживать эту систему? Она же хрупкая!

Все верно. Чем больше число кубитов, тем больше ошибок. Большинство современных систем неспособно удерживать стабильное состояние дольше 100 микросекунд. Ошибки могут быть исправлены с использованием дополнительных кубитов или умного программного обеспечения, но это отражается на вычислительной мощности машины. В последние несколько лет прогресс в технологии супер-охлаждения и в других областях увеличил количество кубитов, которые можно наращивать и эффективно ими управлять.

Надежды на достижение “квантового превосходства” уже были разбиты ранее. В течение некоторого времени исследователи считали, что 49-кубитовой машины будет достаточно, но в прошлом году исследователи из IBM смогли смоделировать квантовую систему из 49 кубитов на обычном компьютере.

Успехи Google

Профессор Даниэль Готтесман из Института теоретической физики в Канаде считает, что лучшие алгоритмы и цифровые компьютеры могут изменить порог превосходства, но для этого потребуется несколько дополнительных кубитов.

Используя квантовый процессор Bristlecone, глава лаборатории квантового искусственного интеллекта Google Quantum AI Lab Джон Мартинис и его коллеги планируют провести тест, который призван продемонстрировать квантовое превосходство. Строгое определение эталона состоит в том, что задача должна быть невозможна для обычного компьютера. Но это вызывает серьезную проблему: как можно узнать, действительно ли квантовый компьютер дал правильный ответ, если вы не можете проверить его на обычном?

Чтобы справиться с этим, команда Google планирует использовать квантовую машину для решения задачи на пределе возможностей современных суперкомпьютеров. “Мы также можем показать, что алгоритм является надежным”, - объяснил Мартинис. Добавление еще одного кубита приведет к тому, что квантовое устройство затратит меньше времени, нежели обычная машина.

Польза или ничего

Тем не менее, даже если Google достигнет магического эталона, сложность и стоимость управления квантовыми машинами будут едва ли оправданы решением реальных задач.

Да, уже сегодня учёным необходимо точно проектировать молекулы и производить другие сложнейшие вычисления. Но классические машины по-прежнему будут лучше, быстрее и экономичнее решать большинство проблем. “Использование квантового компьютера походило бы на фрахтование гигантского реактивного самолета, чтобы пересечь дорогу”, - констатирует канадский исследователь Готтесман.

Он предполагает, что вместо “квантового превосходства” мы должны говорить о достижении “квантовой невосприимчивости”. Другими словами, о конкретных задачах, которые могут выполнять только квантовые компьютеры. Другие исследователи предложили такие наименования, как “квантовое преимущество” или “квантовое господство”.

Почему такое внимание к словам? Семантика имеет значение. Технологии, такие как искусственный интеллект, прошли множество циклов рекламы, прежде чем действительно взлетели. Существует риск того, что если ожидания будут подняты слишком высоко, квантовые машины не смогут им соответствовать. Это может спровоцировать уход инвесторов, которые вливают миллионы долларов в квантовые стартапы.

Привет, квантовый мир

Термин “квантовое превосходство” придумал Джон Прескилл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института, впервые его употребив в 2011 году. В январе этого года Прескилл опубликовал статью, в которой заявил, что квантовые вычисления скоро войдут в фазу NISQ - “шумный промежуточный этап кванта”, где машины будут иметь от 50 до нескольких сотен кубитов. “Шум, - написал исследователь, - означает, что у нас будет несовершенный контроль над этими кубитами; шум поставит серьезные ограничения на то, чего квантовые устройства могут достичь в ближайшей перспективе”. Прескилл подчеркнул, что он все еще убежден, что квантовые компьютеры будут иметь преобразующий эффект для общества, но эта трансформация, по его словам, “может длиться десятилетиями”.

Гил Калай, профессор Еврейского университета в Иерусалиме, более радикален - он считает, что проблемы, связанные с шумом, настолько велики, что они не позволят квантовым машинам когда-либо стать действительно полезными.

Между тем, исследователь Мартинис из Google нагнетает интригу и успокаивая инвесторов: “Как только мы достигнем квантового превосходства, мы покажем, что квантовая машина может сделать что-то действительно полезное”.

Разработка квантовых компьютеров в России

Разговоры о создании в России квантового компьютера идут уже несколько лет. В 2015 году ученым из Московского физико-технического института, Российского квантового центра и Института физики твердого тела РАН удалось создать кубиты, которые работают на основе эффектов квантовой физики. А в 2016 году Фонд перспективных исследований (ФПИ) совместно с «Ростелекомом» смог обеспечить первую квантовую передачу информации по оптико-волоконному кабелю между двумя далеко расположенными точками.

Продолжается разработка и самого квантового компьютера. В начале марта стало известно о том, что российские ученые и инженеры планируют создать квантовый компьютер с возможностями, большими, чем у современных “классических” ЭВМ. Предполагается, что за пять лет специально созданный консорциум построит компьютер из 50 кубитов. Инвестиции в проект составят около 900 миллионов рублей.