Ученые из Google объявили, что достигли квантового превосходства, долгожданной вехи в квантовых вычислениях. Пять недель назад в сеть просочилась предварительная версия объявления, но компания Google тогда отказалась ее комментировать.

Команда под руководством Джона Мартиниса (John Martinis), физика-экспериментатора из университета штата Калифорния в Санта-Барбаре, впервые в мире добилась, что квантовый компьютер в штаб-квартире Google в Маунтин-Вью, штат Калифорния, выполнил расчет, превосходящий возможности обычной, «классической» машины. По оценкам Google, даже у лучшего из классических суперкомпьютеров на это задание уйдет порядка 10 000 лет.

Квантовое превосходство считается долгожданной вехой, потому что доказывает, что квантовые компьютеры превосходят классические, говорит Мартинис. Хотя пока преимущество достигнуто лишь в конкретном случае, физики получили доказательство, что квантовая механика применима для решения сложных задач — как и ожидалось.

«Похоже, Google представил нам первое экспериментальное доказательство, что квантовое ускорение реально достижимо», — говорит Мишель Симмонс (Michelle Simmons), квантовый физик из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее, Австралия.

Мартинис упомянул программу «Здравствуй, мир» (Hello World), ее придумали специально для тестирования новой системы — на дисплей выводится именно эта фраза. На практике эксперимент сам по себе не очень полезен, но он доказывает, что квантовое оборудование и программное обеспечение работают правильно.

Впервые об этом достижении сообщила газета «Файненшл Таймс» (Financial Times) в сентябре, когда НАСА, партнер Google по квантовым вычислениям, опубликовала на своем сайте раннюю версию статьи, после чего быстро ее удалила. Тогда компания факт публикации не подтвердила и сведения не прокомментировала.

Сверка данных квантового генератора случайных чисел — именно эту операцию Google выбрал для тестирования — имеет ограниченное практическое применение, но если данные верны, это огромное научное достижение, — говорит Скотт Ааронсон (Scott Aaronson), программист-теоретик из Техасского университета в Остине. «Я думаю, так и будет».

Исследователи за пределами Google уже работают над улучшением классических алгоритмов в надежде сократить свое отставание длиной в 10 000 лет. IBM, конкурент Google по разработке передовых квантовых компьютеров, сообщила в предварительной публикации 21 октября, что эту задачу можно решить всего за два с половиной дня, используя другую классическую технику. Отзыва экспертов эта статья пока не получила. Если компания IBM права, достижение Google снизится до «квантового преимущества» — когда вычисления производятся быстрее, чем на классической технике, но все же не так быстро, чтобы сравняться с этим темпом на классическом компьютере было бы невыполнимой задачей. Все равно это важный этап, считает Симмонс: «Насколько я знаю, столь крупный результат продемонстрирован впервые».

Быстрые решения

Квантовые компьютеры устроены принципиально иначе, чем классические машины: если классический бит — это единица либо ноль, то квантовый бит, он же кубит, может существовать одновременно в нескольких состояниях. Если кубиты связаны между собой неразрывно, физики теоретически могут использовать интерференцию между волнообразными квантовыми состояниями для выполнения вычислений, на которые бы иначе ушли миллионы лет.

Физики считают, что однажды квантовые компьютеры смогут выполнять революционные алгоритмы для поиска по громоздким базам данных или разложения больших чисел на простые множители — этот метод применяется в шифровании. Но ждать подобных программ придется еще несколько десятилетий. Чем больше кубитов связаны друг с другом, тем сложнее поддерживать их хрупкие состояния во время работы устройства. Алгоритм Google работает на квантовом чипе из 54 кубитов — каждый из которых состоит из сверхпроводящих петель. Но это — лишь малая часть миллиона кубитов, которые потребуются для универсальной машины широкого профиля.

Задачу своему квантовому компьютеру Google задал «немного странную», считает Кристофер Монро (Christopher Monroe), физик из Университета штата Мэриленд в Колледж-Парке. Эту задачу физики Google придумали в 2016 году. Разрабатывали ее специально, чтобы обычному компьютеру пришлось как можно сложнее. Команда дала своему компьютеру Sycamore задание описать вероятность исходов квантового генератора случайных чисел. Для этого запустили последовательность случайных операций на схеме из 53 кубитов. Получилась 53-значная последовательность нулей и единиц — или 253 возможных комбинации (использовались лишь 53 кубита, так как один оказался сломан). Это настолько сложный процесс, что по первым принципам результат рассчитать невозможно — он по сути случайный. Но из-за интерференции между кубитами некоторые последовательности чисел встречаются с большей вероятностью. Это похоже на игральные кости со смещенным центром тяжести — выдаются случайные числа, но одни все же чаще других.

Sycamore рассчитал распределение вероятностей, взяв выборку, прогнав ее миллион раз и измерив частотность результатов. Это похоже на проверку игральных костей на честность. В каком-то смысле, говорит Монро, ученым приходится заниматься этим каждый день: экспериментальным образом искать ответ на квантовую задачу, которую нельзя решить классически. Главное отличие, по его словам, заключается в том, что компьютер Google не однозадачный, а программируемый — и потому может применяться к любой квантовой схеме с любыми настройками.

Еще одна задача — проверить правильность решения. Для этого команда сравнила результаты с результатами моделирования небольших, упрощенных схем, выполненных на классических компьютерах — в том числе на суперкомпьютере Summit из Национальной лаборатории в Оук-Ридже, штат Теннесси. На основе этих примеров команда Google заключила, что прогон полной схемы займет 10 000 лет даже на компьютере с одним миллионом процессоров (что по сути соответствует 100 000 настольным компьютерам). У Sycamore же на это ушло всего 3 минуты и 20 секунд.

В Google считает, что к их доказательствам квантового превосходства невозможно придраться. Даже если сторонние исследователи сократят время на классическое моделирование, квантовое оборудование постоянно совершенствуется — а значит, обычным компьютерам за ними не угнаться, считает руководитель группы квантовых вычислений Google Хартмут Невен (Hartmut Neven).

Ограниченная сфера применения

Монро считает, что достижения Google помогают квантовой информатике тем, что привлекают ученых и инженеров. Однако он предостерегает от обманчивого впечатления, будто квантовые компьютеры стали ближе к практическому применению, чем на самом деле. «Для неспециалистов новость прозвучит так: „Наконец-то они побили обычный компьютер, еще годик, от силы два — и у всех дома будет по такому компьютеру"», — говорит он.

На самом деле, объясняет Монро, ученым еще предстоит доказать, что программируемый квантовый компьютер справится с полезной задачей, которую нельзя решить иным способом. Взять, хотя бы, расчет электронной структуры конкретной молекулы — эта сущая головоломка требует моделирования целого множества квантовых взаимодействий. Другой важный шаг, говорит Ааронсон, — это добиться квантового превосходства в алгоритме, где применяется исправление ошибок. Этот метод удаляет «шум», который грозит испортить вычисления. Физики считают, что без него квантовые компьютеры работать на должном уровне не смогут.

Google стремительно движется к обеим вехам и обнародует результаты своих экспериментов уже в ближайшие месяцы, обещает Мартинис.

Ааронсон же отмечает, что для эксперимента, придуманного Google специально для демонстрации квантового превосходства, вполне найдется практическое применение: на основе этих вычислений он создал протокол, который доказывает пользователю, что генератор случайных чисел действительно выдает случайные биты. Это может пригодиться в криптографии и криптовалютах, чья безопасность зависит от случайных ключей.

Чтобы запустить алгоритм, инженерам Google пришлось воплотить в жизнь целый ряд улучшений, включая разработку новой электроники для управления квантовой схемой и нового способа соединения кубитов, говорит Мартинис. «Это основа для будущего развития. Мы считаем, что путь вперед лежит через базовую архитектуру», — говорит он.