Квантовое превосходство: что это значит для будущего вычислений

От идеи к термину

Концепция квантовых систем — Юрий Манин (1980). Ричард Фейнман (начало 1980-х) предложил квантовые компьютеры для химии/физики. Джон Прескилл (2012) ввел термин «квантовое превосходство» — система, решающая задачу, нерешаемую классическим компьютером за разумное время. Эра шумных промежуточных квантовых технологий (NISQ).

Что такое квантовое превосходство?

Построение квантовой машины, решающей задачу, нерешаемую классическим компьютером за приемлемое время. Два аспекта: инженерный (мощная квантовая машина) и теоретический (классификация решаемых задач).

Предложения демонстрации: сэмплирование случайных квантовых схем, проблемы фустратованных кластеров (D-Wave), бозонное сэмплирование (Ааронсон/Архипов).

Как проверить достижение?

Сложная верификация. Нужно доказать два факта:

1. Квантовое устройство считает быстро.
2. Никакой классический компьютер не может эффективно решить ту же задачу.

Вторая часть сложна: классические алгоритмы неожиданно эффективны. Доказать несуществование лучшего классического алгоритма — спорно и долго.

Гонка квантовых компьютеров

Работающие устройства есть годами, но превосходят классические только в узких условиях. Большинство задач — не практичны.

• 2016: Google — 9-кубитная симуляция водорода.
• 2017: Intel — 17-кубитный тестовый чип; IBM — 50 кубит, когерентность 90 мкс.
• 2018: Google — 72-кубитный Bristlecone.
• 2019: IBM Q System One — первый коммерческий цепно-базированный КК.
• D-Wave: квантовое отжиг, 1000+ кубит (2015), 2048 кубит (позже). Специфические задачи.

Заявление Google (2019)

Google анонсировало превосходство: 54-кубитный Sycamore выполнил random circuit sampling за 200 сек. По их данным, суперкомпьютеру нужно 10 000 лет.

Суть эксперимента: сэмплирование выходов случайной квантовой схемы. Аналог: симуляция броска честного кубика (1/6 на каждую грань). Реально: сэмплирование 2⁵⁴ возможных состояний 53 кубитов (один кубит нерабочий). Классические алгоритмы не справляются с ростом сэмплов.

Эксперимент: упрощенные схемы 12–53 кубитов, проверка классической симуляцией. Затем «тяжелые» схемы 53 кубита с ростом глубины до точки неразрешимости для классики.

Чип Sycamore: 2D-сетка, каждый кубит связан с 4 соседями. Новые нобы управления (отключение взаимодействий), калибровки, оптимизация дизайна — снижение ошибок и кросстока.

Спор: Google vs IBM

IBM оспорила: идеальная классическая симуляция той же задачи — 2.5 дня с большей точностью. Заголовки «превосходство достигнуто» вводят в заблуждение. По определению Прескилла — цель не достигнута. Квантовые системы будут работать рядом с классическими, каждая со своими сильных сторонами.

Спор о термине

Некоторые ученые против «supremacy» (коннотации «white supremacy»). Предлагают «quantum advantage». Прескилл: термин подчеркивает привилегированный момент истории, когда квантовые технологии на подъеме. «Advantage» лишено экспрессивности.

Приложения и будущее

Инвестиции сотни миллионов $ в отказоустойчивые КК (реальная коррекция ошибок). Цель — несколько лет/десятилетий.

Перспективы: прогноз погоды, кибербезопасность, новые материалы (самолеты, батареи), фармацевтика (молекулярное моделирование), банкинг (оптимизация портфелей, антифрод).

Полный расцвет квантовой эры — через годы или десятилетия терпения.