Закон Нивена говорит, что квантовые компьютеры улучшаются с «дважды экспоненциальной скоростью». Если он выдержит проверку временем, то ждать квантового превосходства осталось недолго.

Квантовый процессор Foxtail от Google

В декабре 2018 года учёные из Google AI провели вычисления на лучшем квантовом процессоре от Google. Им удалось воспроизвести эти вычисления на обычном ноутбуке. Затем в январе они запустили тот же тест на улучшенной версии квантового чипа. На этот раз для симуляции результата им понадобился уже мощный настольный компьютер. А к февралю у них уже не нашлось классических компьютеров, способных симулировать своих квантовых соперников. Для этого исследователям пришлось запрашивать процессорное время на огромной сети серверов.

«Где-то в феврале мне пришлось сделать несколько звонков и сказать: „Эй, нам нужно побольше квоты“, — сказал Хартмут Нивен, директор лаборатории квантового искусственного интеллекта Google. „Мы запускали задачи, требовавшие миллиона процессоров“.

Такое быстрое улучшение привело к появлению т.н. „закона Нивена“, нового правила, описывающего, насколько быстро квантовые компьютеры нагоняют классические. Правило родилось, как внутреннее наблюдение, и только потом Нивен упомянул о нём в мае на симпозиуме Google „Квантовая весна“. Там он рассказал, что квантовые компьютеры увеличивают вычислительную мощность по сравнению с классическими с „дважды экспоненциальной“ скоростью – ошеломительно быстрое движение.

С двойным экспоненциальным ростом „сначала кажется, что ничего не происходит, ничего не происходит, а потом ой – и внезапно вы уже в другом мире, — сказал Нивен. – Именно это мы и наблюдаем“.

Даже экспоненциальный рост – явление довольно быстрое. Он означает, что некая величина растёт, как степени двойки: 2¹, 2², 2³, 2⁴. В первые разы увеличение не так сильно заметно, но последующие получаются огромными. Закон Мура, знаменитое правило, по которому вычислительная мощность удваивается примерно каждые два года, экспоненциален.

Двойной экспоненциальный рост выглядит более существенно. Вместо увеличения степеней двойки, величина растёт, как степени степени двойки: 2²¹, 2²², 2²³, 2²⁴. Двойной экспоненциальный рост освещался в недавней статье „Специалисты по информатике расширяют рубежи проверяемого знания“, и описывал огромную скорость роста сложности определённых вычислительных проблем. Двойной экспоненциальный рост настолько уникален, что ему сложно найти примеры в реальном мире. И скорость прогресса в квантовых вычислениях может стать первым таким примером.

Двойная экспоненциальная скорость, с которой, как считает Нивен, квантовые компьютеры догоняют классические, является следствием комбинации двух экспоненциальных факторов. Первый – у квантовых компьютеров есть внутреннее экспоненциальное преимущество перед классическими: если, к примеру, в квантовом контуре есть четыре кубита, то его вычислительная мощность сравнима с контуром из 16 обычных битов. Это было бы так даже без улучшения квантовых технологий.

Второй экспоненциальный фактор появляется благодаря быстрому улучшению квантовых процессоров. Нивен говорят, что лучшие квантовые чипы от Google в последнее время улучшаются с экспоненциальной скоростью. Эта скорость обусловлена уменьшением количества ошибок. Это позволило инженерам строить более крупные квантовые процессоры, сказал Нивен. Если классическим компьютерам требуется экспоненциально больше вычислительной мощности для симуляции квантовых процессоров, а мощность этих квантовые процессоры со временем растёт экспоненциально, то в итоге получается двойное экспоненциальное взаимоотношение между квантовыми и классическими машинами.


Хартмут Нивен, директор лаборатории квантового искусственного интеллекта Google

Не все убеждены в этом. Во-первых, классические компьютеры не стоят на месте. Обычные чипы продолжают улучшаться, даже если закон Мура уже не работает. Кроме того, специалисты по информатике постоянно придумывают более эффективные алгоритмы, помогающие классическим компьютерам не отставать.

»Учитывая все движущиеся части, включая улучшения с классической и квантовой сторон, тяжело назвать этот рост двойным экспоненциальным", — сказал Эндрю Чайлдс, один из директоров совместного центра квантовой информации и информатики Мэрилендского университета.

И хотя точная скорость, с которой квантовые компьютеры догоняют классические, может являться предметом споров, сомнений в быстром улучшении квантовой технологии нет.

«Думаю, что неоспоримая реальность этого прогресса передала мяч на сторону людей, считающих, что масштабируемые квантовые компьютеры не смогут работать, — написал Скот Ааронсон, специалист по информатике из Техасского университета в Остине, нам по емейл. – Теперь им придётся чётко сформулировать, где и почему остановится этот прогресс».

Основная цель области квантовых вычислений – производить эффективные квантовые подсчёты, которые невозможно симулировать за разумное время на самых мощных классических компьютерах (а самым мощным сейчас считается суперкомпьютер Summit Ок-Риджской национальной лаборатории). И среди разных исследовательских групп, разрабатывающих квантовые компьютеры, Google особенно громко заявляет о своём преследовании этой цели, известной, как «квантовое превосходство».

Пока что квантовое превосходство остаётся неуловимым – иногда кажется, что его вот-вот достигнут, но пока не удаётся. Но если закон Нивена будет выполняться, то до этой цели осталось недолго. Нивен не говорит, когда именно, по его мнению, команда Google достигнет квантового превосходства, но допускает, что это может произойти скоро.

«Мы часто говорим, что думаем, что достигнем его в 2019 году, — сказал Нивен. – Все признаки этого уже налицо».