Добро пожаловать в квантовую эру
В статье 2012 года физик-теоретик Джон Прескилл задал следующий вопрос: «Является ли эволюция крупномасштабных квантовых систем просто очень, очень сложной или смехотворно сложной?» Семь лет спустя у нас есть ответ: это очень, очень сложно.
Недавно в Интернете на очень короткое время и по счастливой случайности появилась исследовательская работа на эту тему. «Nature», научный журнал высокого уровня, согласился опубликовать статью, которая, однако, на момент временной публикации оставалась конфиденциальной.
Документ показал, что Google достигла того, что Preskill назвал «квантовым превосходством». Используя квантовый компьютер, исследователи из интернет-гиганта за три минуты выполнили расчет, который потребовал бы от Summit, самого мощного на сегодняшний день суперкомпьютера IBM в мире, 10.000 XNUMX лет обработки.
Окончательное выражение квантового превосходства. Все согласны с тем, что этот конфиденциальный документ действительно представляет собой веху в истории технологий.
Это может быть водораздел между двумя эпохами: «до», когда квантовые компьютеры полагались на то, чтобы превзойти кремниевые, и «после», когда это действительно произошло. До сих пор много было сказано о второй эре. Теперь он прибыл
Довольно рывок вперед
Эксперимент Google заключался в проведении «выборки схемы». тест проверяет, может ли обработка, выполняемая машиной, начиная со случайных входных данных, адаптироваться к конкретной модели.
Эта довольно странная задача была выбрана, чтобы соответствовать специфике квантового компьютера, а также для сравнения той же обработки на классическом компьютере.
Эксперимент, не имеющий большого практического значения, даже если широко распространено мнение, что квантовые компьютеры со временем смогут решать вопросы, имеющие практическое значение и более нормальные для жизни обычных людей.
Это может быть связано с разработкой новых лекарств и материалов или с машинным обучением. Кроме того, они могут сделать устаревшими криптографические коды, которые сегодня защищают мировые секреты.
От битов к кубитам
Квантовые компьютеры используют три концепции. Одна из них — «квантовая суперпозиция», идея, стоящая за знаменитым мертвым и живым котом Шредингера. В отличие от классических битов, которые могут иметь только два состояния — единицу или ноль — кубиты могут быть комбинацией обоих.
Машина Google, например, имеет 53 кубита, что между ними может представлять почти десять миллионов возможных перекрывающихся состояний.
Второй – «запутанность». Он связывает квантовые частицы во времени и пространстве. В стандартных компьютерах каждый бит строго связан с состоянием следующего.
Кубиты в квантовых вычислениях сильно переплетены. Математические операции над перекрывающимися и запутанными кубитами могут действовать одновременно, в большей или меньшей степени, на все кубиты в одном вычислительном процессе.
Как работает квантовый компьютер
Квантовое вычисление начинается с обращения к кубитам один за другим. Максимально упрощая, можно сказать, что он делает кубит единицей или нулем, а затем пересекает его со своим соседом. Как только это будет сделано, он позволит правилам квантовой физики работать с состояниями и связями кубитов, меняющимися с течением времени.
Наконец (но не раньше, так как это испортило бы вычисление) кубиты проверяются одновременно в поисках ответа.
Основная задача — определить правильный ответ среди миллиарда неправильных. Здесь в игру вступает третья идея, контринтуитивная.
В классической физике вероятности должны быть выражены положительными числами. Допустим, вероятность дождя составляет 30%. Квантовая механика использует родственное понятие под названием «амплитуды». Они могут быть как отрицательными, так и положительными.
Вы должны сделать так, чтобы амплитуды, представляющие неправильные ответы, нейтрализовали друг друга, а амплитуды, представляющие правильные, появились. Таким образом, разработчики могут с приемлемым приближением подойти к правильному решению.
В лаборатории сложнее
Это объяснение можно найти в учебниках. В лаборатории все усложняется. Квантовые суперпозиции и квантовые корреляции — чрезвычайно тонкие явления.
Например, волновое движение соседних молекул может прервать их и затруднить расчет.
Большинство проектов, разрабатываемых на квантовых компьютерах, требуют, чтобы машины хранились при температурах ниже, чем в открытом космосе, и чтобы они размещались в специальных помещениях.
Также требуется много специализированного персонала для отслеживания процессов обработки.
Проблема обнаружения ошибок
Однако ни исключительное мастерство ученых, ни идеальные лабораторные условия не могут предотвратить возникновение ошибок.
Самая большая проблема, с которой сталкиваются квантовые ученые, — это поиск и исправление ошибок в вычислениях. Как мы уже говорили, разработка практических приложений с помощью квантовых вычислений требует гораздо большей обработки, чем традиционные устройства. При таком масштабе риск ошибок сильно возрастает.
Такое положение вещей побудило крупные компании компьютерной индустрии, такие как IBM, Intel и Microsoft, а также самые яркие умы, такие как Чад Ригетти, создавать все более совершенные и менее дефектные комплекты средств разработки.
Эффективные алгоритмы
Параллельно с этой гонкой по созданию лучших машин идет гонка по разработке эффективных квантовых алгоритмов. На сегодняшний день самым известным случаем, вероятно, является алгоритм факторинга, разработанный Питером Шором в 1994 году в Bell Labs.
Шор разработал математический алгоритм с квантовым турбокомпрессором, который позволяет быстро разлагать целые числа на составляющие их простые числа.
Что-то, что пугает криптографов, группу ученых, чья ценность оценивается в связи со сложностью выполнения того, что делает алгоритм Шора.
Но если квантовые компьютеры действительно смогут это сделать, нужны новые алгоритмы. Разработке таких алгоритмов будет способствовать тот факт, что многие практические приложения (дизайн лекарств, материалов и т. д.) сами зависят от квантовых процессов.
Это, по сути, также является причиной того, что до сих пор было трудно разрабатывать такого рода приложения.
Мало устройств?
Несмотря на перспективы квантовых вычислений, многим исследователям в этой области не нравится фраза «квантовое превосходство». Мне некомфортно, потому что появление квантового превосходства подразумевает переломный момент, который, однажды пройденный, отправляет десятилетия прикладных вычислений на чердак во имя чего-то странного и удивительного.
И, несмотря на «до» и «после», которые определяет документ Google, создание эффективных квантовых устройств для практического применения не будет легким путем.
Большинство людей думают, что предсказать, что квантовые вычисления заменят классические, — это азартная игра. Примером могут служить практические аспекты, связанные с работой квантовых компьютеров при очень низких температурах.
Правительства, крупные корпорации и самые богатые университеты, несомненно, будут иметь собственные автомобили. Другие будут арендовать время на устройствах, подключенных к квантовым версиям облака. В любом случае общее количество квантовых компьютеров будет ограничено.
И хорошо, что это есть. В любом случае, у нас может быть некоторый скептицизм по поводу этого предсказания, оглядываясь на истоки классических вычислений, которые были уделом избранных. В 1943 году Томас Уотсон, тогдашний глава IBM, заявил: «Я думаю, что может существовать мировой рынок, возможно, для пяти компьютеров». Неверное предсказание какого-то фактора, возможно, миллиарда факторов.
Из The Economist от 26 сентября 2019 г.
