В конце октября мир облетела новость: исследователи Google впервые запустили на квантовом компьютере так называемый «проверяемый алгоритм». Но что скрывается за этой громкой формулировкой? Компания заявляет, что вычисления заняли на их устройстве в 13 тысяч раз меньше времени, чем потребовалось бы лучшему суперкомпьютеру классической архитектуры. В Google видят в этом ключ к решению практических задач, например, моделирования новых химических соединений. Однако за этим утверждением стоит целый ряд вопросов. Что такое «проверяемый алгоритм» и почему акцент сделан именно на этом? В чем суть расчетов и чем этот прорыв отличается от предыдущего заявления о «квантовом превосходстве», прозвучавшего несколько лет назад?

Ответы на эти вопросы следует искать в статье, опубликованной исследовательским подразделением Google Quantum AI в авторитетном журнале Nature. Эксперимент проводился на новейшем квантовом процессоре Willow, и его авторы настаивают на принципиальной новизне результата. Они говорят уже не просто о «квантовом превосходстве», а о «проверяемом превосходстве». Важно подчеркнуть, что это не означает, что предыдущие достижения были несостоятельны. Речь идет о фундаментальном различии в устройстве самого алгоритма и типе производимых вычислений.

«Ива» против шума: как устроен новый квантовый вычислитель

Квантовый компьютер Willow, представленный Google в конце 2024 года, — это сложнейший механизм, представляющий собой решетку из 105 сверхпроводниковых антенн. В их основе лежат джозефсоновские переходы — технология, удостоенная в 2025 году Нобелевской премии по физике (об этом мы подробно писали здесь на Хабре). В сверхпроводящем состоянии электроны в этих антеннах объединяются, образуя кубиты — квантовые биты, способные хранить информацию. Эти кубиты взаимодействуют друг с другом, а силой их связи можно управлять.

Willow является эволюцией своего предшественника, процессора Sycamore. Его ключевое преимущество — почти вдвое большее число кубитов и, что критически важно, более эффективная защита от квантового шума. Вся эта хрупкая конструкция работает в экстремальных условиях: крошечный процессор помещен в громоздкий холодильник, охлаждающий его почти до абсолютного нуля. Как ранее объяснял один из руководителей проекта Вадим Смелянский, одна из главных инженерных трудностей — проведение внутрь этой криогенной крепости управляющих проводов, число которых растет вместе с количеством кубитов.

Квантовый хаос и «эффект бабочки»: что же вычисляли на практике?

Чтобы продемонстрировать мощь Willow, ученые снова, как и в 2019 году, обратились к явлению квантового хаоса. Подобно «эффекту бабочки» в макромире, где малое возмущение приводит к глобальным последствиям, в квантовых системах тоже существуют состояния, чье поведение практически непредсказуемо. Еще в 1968 году советские физики Юрий Овчинников и Анатолий Ларкин теоретически показали, что такие системы не поддаются грубым упрощениям при моделировании.

Именно такую хаотичную систему и воспроизвели на 65 кубитах Willow. Суть эксперимента, названного в пресс-релизе поэтичным термином «квантовое эхо», заключалась в следующем: многократно запускался сложный хаотический процесс, а затем с помощью статистического анализа проверялось, сохраняет ли система целостность или «рассыпается» на отдельные, не связанные друг с другом кубиты.

Удачная аналогия — бильярдный стол. Если разбить пирамиду шаров, а затем с абсолютной точностью запустить их назад, они должны собраться в исходную фигуру. Неровности стола (квантовый шум) мешают этому. Если после множества попыток мы все же видим связь между начальным и конечным положением шаров, значит, система работает стабильно, а шум удалось контролировать. Именно такую корреляцию — связь между состояниями до и после эксперимента — и смогли зафиксировать исследователи. Это и есть доказательство того, что Willow способен работать со сложными квантовыми состояниями, которые классическому суперкомпьютеру просто не под силу смоделировать.

В чем же прорыв и причем тут «проверяемость»?

Здесь мы подходим к главному отличию от эксперимента 2019 года. Тогда алгоритм также был невоспроизводим на классических машинах, но на выходе давал лишь набор случайных чисел. Нынешний же алгоритм «проверяем»: результат его работы — та самая корреляция — известен заранее и должен быть одинаковым на любом достаточно мощном квантовом устройстве. Это не просто демонстрация скорости, а демонстрация контролируемого и воспроизводимого вычисления.

Но способна ли эта контролируемость перерасти в практическую пользу? Google совместно с химиками из Университета Беркли попытался ответить и на этот вопрос. Они использовали Willow для моделирования пространственной структуры молекул толуола и диметилбифенила. Идея заключалась в том, чтобы настроить взаимодействия между кубитами по аналогии со связями между атомами в молекулах, а затем с помощью «квантового эха» измерить корреляции, которые трудно поймать стандартными методами вроде ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Однако сами авторы признают: пока это лишь проверка принципа. Для столь простых молекул расчеты все еще по силам и обычным компьютерам. Истинная ценность метода проявится при работе со сложными системами, например, с крупными белками. Но здесь квантовым компьютерам придется конкурировать с постоянно совершенствующимися классическими алгоритмами.

Компьютер ли это?

Новое достижение команды Google указывает на вероятное будущее квантовых устройств. Их главная ниша — не абстрактные расчеты, а моделирование других квантовых систем. Возможно, сам термин «компьютер» вводит здесь в заблуждение. По своей сути, такие устройства сегодня больше похожи не на универсальные вычислительные машины, а на высокотехнологичные физические модели.

Прямая аналогия — аэродинамическая труба. Инженеры до сих пор строят макеты самолетов, потому что точно смоделировать хаотичное поведение воздушных потоков на суперкомпьютере невозможно. Здесь можно было бы говорить о «превосходстве аэротрубы», но этот термин не прижился. В квантовом же мире понятие «превосходства» не только укоренилось, но и продолжает определять вектор развития всей отрасли, демонстрируя, что мы находимся в самом начале долгого и сложного пути.