Что такое квантовое превосходство? И почему это так важно?

Концепция квантовых систем была впервые предложена российским математиком Юрием Маниным в 1980 году. Однако именно Ричард Фейнман задумал возможность квантовых компьютеров в начале 1980-х годов.

Фейнманн предположил, что квантовые компьютеры будут эффективными при решении проблем химии и физики. Сегодняшние компьютеры используют двоичную логику для выполнения задач, но если мы будем использовать правила квантовой механики, многие сложные вычислительные задачи станут выполнимыми.

В 2012 году американский физик-теоретик Джон Прескилл ввел термин «квантовое превосходство» для описания системы, намного более продвинутой, чем классические компьютеры. Это знаменует эру шумных квантовых технологий промежуточного масштаба.

В этой обзорной статье мы объяснили, какое значение будет иметь «квантовое превосходство», чего технологические компании достигли на данный момент и почему это так важно. Начнем с основ.

Что такое квантовое превосходство?

Quantum Supremacy - это цель создания системы квантовых вычислений, способной решить проблему, которую ни один классический компьютер не может решить за разумное время.

Сюда входит инженерная задача по разработке мощной квантовой машины, а также теоретико-вычислительная задача по классификации вычислительных проблем, которые могут быть решены этим квантовым компьютером.

Квантовое превосходство - важный шаг на пути к более мощным и полезным вычислениям. Было сделано несколько предложений, чтобы продемонстрировать квантовое превосходство. Наиболее заметными из них являются:

• Выборка выходных данных случайных квантовых схем.
• Проблемы с циклом кластера, разработанные D-Wave
• Предложение по взятию проб бозона, представленное Ааронсоном и Архиповым

Как мы можем точно сказать, что квантовое превосходство достигнуто?

Проверка квантового превосходства - одна из самых сложных задач. Это не похоже на ядерный взрыв или запуск ракеты, когда вы просто смотрите и сразу узнаете, удалось ли это.

Чтобы убедиться в квантовом превосходстве, вы должны точно продемонстрировать две вещи:

1. Квантовое устройство быстро выполняет вычисления.
2. Ни один классический компьютер не может эффективно выполнять такие же вычисления.

Вторая часть довольно сложная. Оказывается, классические компьютеры могут выполнять определенные типы задач очень эффективно (лучше, чем ожидания ученых). Пока не будет доказано, что классический компьютер не может эффективно выполнять конкретную задачу, всегда есть шанс, что существует более эффективный и лучший классический алгоритм. Доказательство того, что такого классического алгоритма не существует, может быть спорным и может занять много времени.

Прочтите:12 самых быстрых суперкомпьютеров в мире

Битва за создание квантового компьютера

Квантовые устройства работают уже несколько лет, но только при определенных условиях они превосходят классические компьютеры. Большинство задач, выполняемых этими квантовыми машинами, бесполезны даже в повседневной жизни.

В 2016 году Google разработал полностью масштабируемое квантовое моделирование молекулы водорода с использованием 9-кубитного квантового чипа. В 2017 году Intel изготовила 17-кубитный сверхпроводящий тестовый чип для квантовых вычислений, а IBM подняла планку, предложив 50-кубитный чип, который может сохранять свое квантовое состояние в течение 90 микросекунд.

17-кубитный сверхпроводящий тестовый чип, разработанный Intel

В 2018 году Google представила 72-кубитный процессор под названием Bristlecone, а в 2019 году IBM выпустила первый в мире коммерческий квантовый компьютер на основе схем - IBM Q System One.

D-Wave Systems, хорошо финансируемая канадская компания, занимающаяся квантовыми вычислениями, остается исключением. В 2015 году его двукратный квантовый компьютер с более чем 1000 кубитами был установлен в лаборатории квантового искусственного интеллекта НАСА. Компания поставляла системы с 2048 кубитами. В их устройствах используется альтернативный метод, называемый квантовым отжигом, для решения очень специфических задач.

Читайте:5 квантовых процессоров с новой вычислительной парадигмой

Большое объявление Google

Совершенно неожиданно к концу 2019 года исследователи Google объявили, что достигли квантового превосходства. Они разработали 54-кубитный процессор Sycamore, который выполнил целевое вычисление (вычисление случайной выборки) за 200 секунд.

По мнению исследовательской группы, классическому суперкомпьютеру потребуется 10 000 лет для выполнения тех же вычислений. Это существенное увеличение скорости (по сравнению с классическими алгоритмами) является экспериментальной реализацией квантового превосходства для этой конкретной задачи.

Что они сделали?

Чтобы продемонстрировать квантовое превосходство, Google решил решить конкретную проблему под названием «случайная выборка схем». Простым примером этой проблемы является программа для имитации броска кубика.

Программа будет работать точно, если будет правильно отбирать все возможные результаты. Это означает, что программа должна генерировать каждое число на кристалле в 1/6 раза при повторном выполнении.

В реальном сценарии, вместо того, чтобы помещать кристалл, компьютеру необходимо правильно выполнить выборку из всех возможных выходных сигналов случайной квантовой схемы. Эта последовательность действий выполняется над связкой кубитов. Когда кубиты проходят цепь, их состояние становится запутанным (также известное как квантовая суперпозиция).

Например, когда схема воздействует на 54 кубита, это приводит к тому, что 54 кубита являются суперпозицией 2 ⁵⁴ возможные состояния в конце цепи. Это означает набор из 2 ⁵⁴ Возможности сворачиваются в одну строку из 54 бит. Это как бросить кубик, но вместо 6 возможных результатов вы получите 2 ⁵⁴ результаты, и не все они одинаково вероятны.

Последовательность выборок из этой случайной схемы (после правильного распределения) может быть эффективно сгенерирована на квантовых компьютерах. Однако не существует классического алгоритма создания этих образцов на современных суперкомпьютерах. Поэтому по мере увеличения количества образцов цифровые суперкомпьютеры быстро перегружаются вычислениями.

В этом эксперименте исследователи Google запускали случайные упрощенные схемы от 12 до 53 кубитов, сохраняя постоянным количество циклов вентилей (квантовых логических вентилей). Затем они использовали классическое моделирование, чтобы проверить производительность квантового компьютера и сравнить его с теоретической моделью.

Убедившись, что система работает правильно, они запустили случайную жесткую схему с 53 кубитами и увеличенными циклами вентилей, пока не достигли точки, когда классическое моделирование стало неработоспособным.

Процесс демонстрации квантового превосходства | Кредит:Google

Эксперимент проводился на полностью программируемом 54-кубитном чипе Sycamore. Он содержит двумерную сетку, в которой каждый кубит присоединен к 4 другим кубитам, что обеспечивает достаточную связь для состояний кубита (так что они мгновенно взаимодействуют по всему процессору) и делает невозможным выполнение тех же вычислений на классических компьютерах.

Чтобы достичь такого уровня производительности, они использовали новый вид ручки управления, которая могла отключать взаимодействие между соседними кубитами, что значительно уменьшало количество ошибок в многосвязной системе кубитов. Они также разработали новые управляющие калибровки, чтобы избежать дефектов кубитов, и оптимизировали конструкцию чипа для снижения перекрестных помех, что еще больше повысило производительность квантового чипа.

Действительно ли Google достиг квантового превосходства?

Чип Google Sycamore охлаждается внутри квантового криостата. Кредит изображения:Эрик Лусеро / Google

Хотя Google утверждал, что он достиг квантового превосходства и классическому суперкомпьютеру потребуется около 10 000 лет для выполнения эквивалентной задачи, IBM оспорила это утверждение, заявив, что идеальное моделирование той же задачи может быть выполнено на классическом компьютере за 2,5 дня с большим большая верность.

Эксперимент Google не следует рассматривать как доказательство того, что квантовые устройства «превосходят» классические компьютеры. Тем не менее, он прекрасно демонстрирует прогресс в области квантовых вычислений на основе сверхпроводников, демонстрируя ультрасовременную точность воспроизведения на 53-кубитной системе.

Заголовки, содержащие некоторые вариации «достигнутого квантового превосходства», привлекают внимание и интересно читать, но они полностью вводят в заблуждение широкую публику.

Согласно определению квантового превосходства, цель не достигнута. И даже если кто-то продемонстрирует это в ближайшем будущем, квантовые компьютеры никогда не будут «господствовать» над классическими компьютерами. Вместо этого квантовые системы будут работать вместе с классическими суперкомпьютерами, поскольку каждый из них имеет свои уникальные сильные стороны и преимущества.

Споры об именах

Некоторые ученые не согласны с термином «квантовое превосходство». С их точки зрения, слово «превосходство» имеет оттенок насилия, неоколониализма и расизма через его связь с «превосходством белых». Они предложили альтернативное выражение «квантовое превосходство». преимущество ».

Однако Джон Прескилл, придумавший эту фразу, пояснил, что он хотел подчеркнуть, что это привилегированное время в истории, когда информационные технологии, основанные на квантовых законах, находятся на подъеме. Он также объяснил, что «квантовое превосходство» лучше всего отражает то, что он хотел донести. Другим словам, таким как «преимущество», не хватает силы «превосходства».

Приложения и будущее

Последние достижения в области квантовых вычислений вдохновили целое поколение компьютерных ученых и физиков на фундаментальные изменения в информационных технологиях.

В настоящее время ученые работают над отказоустойчивыми квантовыми машинами, которые смогут исправлять ошибки вычислений в режиме реального времени, обеспечивая безошибочные квантовые вычисления. Учитывая текущее состояние развития квантовых вычислений, реализация этой цели будет осуществляться через несколько лет.

Технологические компании вкладывают сотни миллионов долларов в скорейшую разработку отказоустойчивых квантовых устройств. Однако большой вопрос заключается в том, должны ли квантовые машины быть отказоустойчивыми, прежде чем они смогут выполнять полезную задачу.

Такие машины обещают множество ценных применений. Например, квантовые вычисления могут улучшить прогнозирование погоды, усилить кибербезопасность и помочь в разработке новых материалов для самолетов и легких аккумуляторных батарей транспортных средств. Он может точно отображать отдельные молекулы, что, в свою очередь, потенциально может открыть возможности для фармацевтических исследований.

Это также может оказать сильное влияние на банковский сектор. Квантовые вычисления могут решать финансовые вопросы, связанные с оптимизацией инвестиционной стратегии, которая включает анализ огромного количества комбинаций портфелей для определения наиболее подходящих критериев или выявления мошеннических транзакций.

Прочтите:22 самых интересных факта о квантовых компьютерах

В настоящее время сложно предсказать, какая отрасль квантовых вычислений повлияет больше всего, потому что они были протестированы на очень ограниченном наборе задач. Нам нужно будет набраться терпения в течение нескольких лет (или даже десятилетий), прежде чем мы сможем оценить все великолепие квантовой эры.