Достигла компания Google квантового превосходства, или нет – это зависит от точки зрения

Теоретически квантовые компьютеры могут оказаться мощнее любого классического суперкомпьютера. Учёные пытаются подсчитать, что понадобится квантовым компьютерам для достижения т.н. «квантового превосходства», и на самом ли деле компания Google достигла этого превосходства, как она заявила в прошлом году.

Классические компьютеры для обозначения данных в виде нулей и единиц включают и выключают транзисторы. Квантовые компьютеры используют квантовые биты – кубиты, которые, благодаря странной природе квантовой физики, могут находиться в состоянии суперпозиции, одновременно обозначая и 1 и 0.

Суперпозиция позволяет одному кубиту выполнять два вычисления одновременно, а когда два кубита связаны друг с другом посредством такого квантового эффекта, как запутанность, они могут выполнять уже 2², то есть 4 вычисления одновременно; три кубита способны на 2³, или восемь вычислений; и так далее. В принципе, квантовый компьютер с 300 кубитами смог бы выполнять столько вычислений одновременно, что их количество превзошло бы количество имеющихся во Вселенной атомов.

Вопрос о том, сколько кубитов нужно для достижения квантового превосходства над стандартными компьютерами, остаётся открытым. В прошлом году Google заявил, что достиг квантового превосходства при помощи 53 кубитов, за 200 секунд проведя вычисления, на которые у самого мощного суперкомпьютера в мире ушло бы, по прикидкам компании, около 10 000 лет. Однако исследователи из IBM в ответной статье утверждают, что «идеальную симуляцию той же задачи можно выполнить на классической системе за 2,5 дня, причём с гораздо большей точностью».

Чтобы понять, чего реально может потребовать квантовое превосходство, исследователи проанализировали три различных квантовых схемы, которые смогут решать задачи, неподвластные обычным компьютерам. Схемы IQP (мгновенного квантового полиномиального времени) позволяют особенно легко соединять кубиты в квантовые схемы. Схемы алгоритма квантовой аппроксимации оптимизации (QAOA) более продвинуты. Они используют кубиты в поисках хороших решений задач оптимизации. Схемы выборки бозонов используют фотоны вместо кубитов, анализируя пути, по которым фотоны разлетаются после взаимодействия друг с другом.

Предположив, что квантовые компьютеры будут соревноваться с суперкомпьютерами, способными проводить до квинтиллиона (10¹⁸) вычислений с плавающей запятой в секунду (FLOPS), исследователи подсчитали, что квантового превосходства можно достичь, используя 208 кубитов в схеме IQP, 420 кубитов в схеме QAOA и 98 фотонов с использованием схем выборки бозонов.

«Я удивлён, что мы смогли выдать эти цифры, не так уж и далеко отстоящие от того, что можно увидеть уже сегодня в существующих устройствах», — говорит ведущий автор исследования Александр Далзел, квантовый физик из Калифорнийского технологического института в Пасадене. «В нашем первом подходе к решению этой задачи мы предположили, что потребуется не менее 10 000 кубитов, во втором – не менее 2000. И, наконец, после третьей итерации мы смогли значительно сократить накладные расходы и уменьшить количество кубитов всего лишь до сотен.

Также учёные признают, что квантовое превосходство, возможно, будет достижимо и при помощи ещё меньшего количества кубитов. „В целом, многие наши предположения исходят из наихудших вариантов развития событий – но, возможно, этого и не потребуется“, — говорит Далзел.

Что до Google, то исследователи отмечают, что заявление этой компании сложно критически проанализировать, поскольку в компании выбрали такую задачу для квантовых компьютеров, которую сложно сравнивать с известными алгоритмами для классических вычислений.

»Думаю, что их заявление по поводу того, что они при помощи квантового устройства сделали нечто, что мы не знаем, как сделать на классическом устройстве, не тратя огромные ресурсы, по моему мнению, можно считать точным – говорит Далзел. – Я, правда, не уверен в том, что не существует пока ещё неизвестного нам классического алгоритма, который позволил бы нам воспроизвести их эксперимент, или даже ещё более крупную его версию, на реалистичном классическом устройстве. Хочу уточнить, я не говорю, что верю в существование такого алгоритма. Я просто утверждаю, что если бы он существовал, это не было бы так уж удивительно и неожиданно".

И что же, «достигли ли мы вычислительного квантового превосходства, если нам удалось сделать нечто, что мы не знаем, как делать при помощи классического устройства? Или мы реально хотим удостовериться в невозможности этого даже при использовании пока не открытых алгоритмов? – спрашивает Далзел. – Google явно принимает первую точку зрения, и даже признаёт, что алгоритмические инновации смогут уменьшить стоимость классических симуляций. Но ещё там ожидают, что совершенствования квантовых устройств помогут им оставаться в состоянии квантового превосходства. Они полагаются на аргументы из теории сложности, из которых следует, что маловероятно появление способов кардинального улучшения классических симуляций. Такую интерпретацию можно принять».

В будущем исследования могут проанализировать, как оценки квантового превосходства поступают с шумом, имеющимся в квантовых схемах. «При отсутствии шума аргументы в пользу квантового вычислительного превосходства выглядят убедительно, — говорит Далзел. – Но добавьте шум – и тогда у классического алгоритма появится нечто, чем он может воспользоваться».

См. также:

• «Что может квантовый компьютер»
• «Новый участник рынка квантовых вычислений с уникальной технологией»
• «Кубиты вместо битов: какое будущее готовят нам квантовые компьютеры?»