23 жовтня в журналі була опублікована стаття дослідників з відділу квантового штучного інтелекту компанії Google, в якій йшлося про досягнення квантової переваги. Колектив вчених під керівництвом Джона Мартініса заявив про рішення за допомогою квантового комп'ютера завдання, непосильного для найсучаснішого класичного суперкомп'ютера. детально розібрався в тому, що трапилося.
Зародження
Ідея квантового комп'ютера з'явилася близько 40 років тому в роботах радянського вченого Юрія Маніна, але була незабаром незалежно і в істотно більш чіткому вигляді сформульована Річардом Фейнманом.
Суть парадигми квантових обчислень полягає у використанні для зберігання та обробки даних квантових систем, стану яких можуть приймати будь-яке значення в континуумі між основними положеннями, в той час як в класичному випадку елемент обчислювальної машини, наприклад транзистор, однозначно знаходиться в одному з двох можливих положень.
За аналогією зі звичайними битами інформації, в квантовому випадку вводяться кубіти. У результаті система N кубітів повністю описується тільки за допомогою 2N параметрів, кожен з яких може дорівнювати будь-якому числу між нулем і одиницею. У той же час система з N класичних битів також описується 2N параметрами, але вони можуть приймати лише два крайніх значення.
Варто зазначити, що квантовий комп'ютер не є заміною класичному, оскільки той як і раніше ефективний у вирішенні різних класів завдань. Більш того, лише недавно вчені придумали перший приклад завдання, яку в принципі здатний вирішити тільки квантовий обчислювач.
Еволюція
Квантові комп'ютери не привертали великої уваги до середини 1990-х років, коли з'явилися перші квантові алгоритми, тобто програми, теоретично виконувані з їх допомогою. Перелом стався після виходу роботи Пітера Шора, який знайшов спосіб ефективно факторизувати великі числа, тобто розкладати їх на прості множники.
Складність цього завдання для класичного комп'ютера швидко зростає зі збільшенням чисел, завдяки чому вона лежить в основі деяких механізмів шифрування, зокрема в широко поширеному протоколі RSA. Криптографічна стійкість цього методу спирається на той факт, що звичайні комп'ютери не зможуть за розумний час підібрати необхідне для дешифрування число, а завдяки алгоритму Шора квантовий комп'ютер теоретично на це здатний.
До розробки квантових комп'ютерів приступили вчені в багатьох країнах світу. Більш того, інтерес стали проявляти комерційні структури, такі як Google, IBM, Microsoft і навіть деякі фінансові організацій, наприклад банк Morgan Stanley. Причина цього полягає в очікуваних здібностях квантових комп'ютерів вирішувати завдання криптографії та багатовимірної оптимізації, що виникають, зокрема, при аналізі біржових курсів.
На початку 2010-х років найбільш оптимістичні аналітики стверджували, що корисний квантовий комп'ютер з'явиться протягом декількох найближчих років. Більш обережні фахівці відводили на його створення пару десятків років. Щоб хоч якось формалізувати прогрес у цій галузі і позначити завершення початкового етапу розвитку, фізик Джон Прескілл у 2012 році запропонував термін «квантова перевага».
Квантова перевага настає в той момент, коли квантовий комп'ютер зможе провести обчислення, недоступне для класичного, незалежно від того, чи існує у результату практична значимість.
Це формулювання досить нестроге і допускає безліч різних трактувань. Наприклад, у ній нічого не говориться ні про спосіб порівняння, ні про класичний аналог.
Перевага
23 жовтня співробітники Google опублікували в журналі роботу, в якій йдеться про досягнення квантової переваги. Таку заяву дослідники зробили за результатами роботи з 53-кубітним процесором Sycamore, який зумів вирішити дуже специфічну задачу за 200 секунд, в той час як оціночний час її рішення на найпотужнішому сучасному комп'ютері Summit має скласти 10 тисяч років.
Завдання полягало у виконанні випадкової, але точно відомої послідовності однокубітних і двокубітних операцій, у перетворенні отримуваного стану кубітів на числовий рядок і повторення процедури мільйони разів. У результаті можна побудувати розподіл ймовірності знаходження кубітів у певних станах, який не буде, подібно до послідовності операцій, випадковим через взаємодію між кубітами.
Це завдання, швидше, є технічним, єдино можливе його застосування - це генерація випадкових чисел. Також варто зазначити, що через розпливчасте формулювання квантової переваги автори змогли вибрати відносно просте для себе завдання, яке при цьому важке для вирішення на класичному комп'ютері.
Дійсно, хоча зусилля з оптимізації алгоритмів для класичних комп'ютерів приймалися, прогрес у цій галузі помітно відстає від розвитку квантових комп'ютерів.
Це зайвий раз підтверджується заявою співробітників IBM, які стверджують, що час виконання завдання для звичайного комп'ютера був значно завищений, а з використанням оптимізації його і зовсім можна знизити до декількох днів.
На це в Google відповіли, що запропонований співробітниками IBM алгоритм передбачає помітні відступи від звичного режиму роботи суперкомп'ютерів, тому потрібна реальна перевірка його працездатності. Також отримані квантовим процесором дані вже викладені у відкритий доступ, що полегшить перевірку як з боку IBM, так і інших колективів.
Фізичною основою кубітів у комп'ютері Google є надпровідні контури. Цей варіант відносно простіший у створенні, але страждає від досить високих шумів і помилок, що ускладнюють обчислення. Це стало додатковим аргументом на користь обраного завдання, оскільки алгоритм його вирішення стійкий до помилок і не потребує їх коригування.
Наслідки
Незабаром після виходу роботи співробітників Google була організована прес-конференція, в ході якої Мартініс та інші учасники експерименту прокоментували своє досягнення. Вони зазначили, що генерація випадкових чисел може стати першим практичним застосуванням квантового комп'ютера. Вчені повідомили також, що вже проводять більш складні експерименти, зокрема в галузі квантово-хімічних симуляцій молекул.
Основним своїм завданням автори назвали залучення великої кількості дослідників до галузі, для чого вони створюють відкриті бібліотеки програмного забезпечення. Вмотивоване співтовариство вчених має допомогти знайти відповідні практичні застосування квантового комп'ютера на найближчу перспективу.
Група Мартініса збирається протягом декількох років почати експерименти з приблизно тисячею кубітів. Це дозволить на основі багатьох фізичних кубітів змоделювати поведінку меншої кількості логічних, чиї характеристики будуть набагато ближчими до ідеальних. Зокрема, їх помилки повинні бути експоненційно меншими.
Реалізація такої схеми стане важливим етапом на шляху до створення квантового комп'ютера з корекцією помилок, який придатний для вирішення набагато більш широкого класу завдань.
На питання про можливу загрозу безпеці шифрування співробітники Google відповіли, що для практично реалізованого злому криптографічного алгоритму, наприклад RSA, орієнтовно знадобиться близько сотні мільйонів фізичних кубітів.
Це у багато разів більше, ніж очікується в найближчому майбутньому, тому вчені вважають, у нас ще достатньо часу для створення та імплементації квантово стійких методів шифрування.
Мартініс і його колеги зазначили також, що над питаннями криптографічної безпеки працюють фахівці як всередині Google, так і в уряді США та інших країн, тому про недоторканність комунікацій і цифрових транзакцій до моменту появи такого потужного квантового комп'ютера не доведеться турбуватися.