Google показала, как квантовые компьютеры превзойдут мощнейшие суперкомпьютеры
За последние пять лет квантовые компьютеры наконец-то бросили вызов своим классическим собратьям, хотя до окончательной победы еще далеко. Но теперь исследователи из Google заявили, что они определили условия, при которых квантовые компьютеры могут победить.
Они использовали процессор квантового компьютера Sycamore для запуска случайной выборки цепей (RCS) — простого квантового алгоритма, который, по сути, генерирует случайную последовательность.
Команда проанализировала результаты работы Sycamore и обнаружила, что когда он работает в режиме с большим количеством помех при выполнении RCS, его могут обойти классические суперкомпьютеры. Но когда уровень шума снижался до определенного порога, вычисления Sycamore становились настолько сложными, что воспроизвести их на классической машине стало фактически невозможно — по некоторым оценкам, это заняло бы у самого быстрого классического суперкомпьютера в мире десять триллионов лет.
Результаты исследования, о котором впервые было сообщено в препринте на сервере arXiv в прошлом году, были отрецензированы, исправлены и опубликованы в журнале Nature.
Это убедительная демонстрация того, что Sycamore способен превзойти любой классический компьютер, работающий на RCS, сообщили обозревателю Nature специалисты по квантовым технологиям.
В 2019 году Google сообщила, что ее квантовый компьютер может выполнять RCS и достичь квантового преимущества, но с тех пор классические компьютеры ускорились сильнее, чем предполагалось, и это устранило «квантовое преимущество». Теперь «Google проделала очень хорошую работу, прояснив и решив многие проблемы с RCS», — говорит Майкл Фосс-Фейг, исследователь квантовых вычислений в компании Quantinuum, занимающейся разработкой компьютерного программного обеспечения и базирующейся в Брумфилде, штат Колорадо.
По его словам, новые результаты показывают, насколько сильно могут «шуметь» квантовые компьютеры, но даже при таком уровне шума они выигрывают у классических.
Постоянное соревнование между классическими и квантовыми компьютерами стало движущей силой в этой области, говорит Чао-Ян Лу, квантовый физик из Университета науки и техники Китая в Шанхае. Это побуждает исследователей создавать более крупные и качественные квантовые компьютеры. Последний результат Google не означает, что квантовые компьютеры заменят классические. Например, Sycamore не может выполнять типичные для обычного компьютера операции, такие как хранение фотографий или отправка электронных писем. «Квантовые компьютеры не быстрее — они другие», — говорит Серхио Бойшо, руководитель проекта квантовых вычислений Google в Санта-Барбаре, штат Калифорния. — «Предполагается, что со временем они смогут выполнять классически невозможные — но полезные — задачи, например, точно моделировать химические реакции».
Экспоненциальный рост
Процессор Sycamore внешне похож на кремниевые чипы, которыми оснащаются обычные ноутбуки, но он специально изготовлен для управления электронами, проходящими через него, — с квантовой точностью.
Чтобы уменьшить температурные колебания, которые могут разрушить тонкие состояния электронов и внести шум, чип хранится при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю.
Вместо того чтобы использовать классические биты (которые всегда либо 0, либо 1), как это делает обычный компьютер, квантовый чип полагается на кубиты, которые используют способность электронов находиться в «состоянии суперпозиции». Квантовый компьютер может выполнять некоторые задачи, используя экспоненциально меньшее количество кубитов, чем требуется классическому компьютеру.
Например, чтобы запустить алгоритм RCS, классическому компьютеру потребуется 1024 бита, а квантовому — 10 кубитов. Пять лет назад группа исследователей из Google сообщила в журнале Nature, что для того, чтобы сделать 200-секундную работу алгоритма RCS на их 53-кубитном компьютере, классическому суперкомпьютеру потребуется 10 000 лет.
Почти сразу же это утверждение попало под огонь критики. Исследователи из IBM опубликовали в Интернете препринт, в котором утверждалось, что суперкомпьютер может выполнить эту задачу за несколько дней. В июне 2024 года Чао-Ян Лу и его коллеги использовали мощные классические компьютеры, чтобы воспроизвести тот результат чуть более чем за минуту.
Результат Google 2019 года — не единственный, с которым справился классический компьютер. В июне 2023 года исследователи IBM и другие ученые сообщили о том, что их 127-кубитный компьютер может решать потенциально полезные математические задачи, которые «не поддаются грубым классическим вычислениям». Но через несколько недель многочисленные исследования показали, что классические подходы все еще могут конкурировать с квантовыми машинами.
Высокая точность
Бойшо и его коллеги хотели понять, как почему шум делает результаты квантовых компьютеров вполне сравнимыми с классическими машинами. Ученые обнаружили, что даже небольшие вариации в шуме кубитов — от 99,4 % безошибочности до 99,7 % — заставляют Sycamore вести себя так, как будто он находится в новом состоянии, подобно переходу материи из твердого состояния в жидкое.
«Шум превращает квантовую систему в почти классическую», — говорит Бойшо. Как только модернизированная версия Sycamore, работающая с 67 кубитами, преодолевала определенный порог подавления шума, ее RCS-выход стал недостижимым для классического моделирования».
Когда-нибудь, надеются исследователи, квантовые компьютеры будут достаточно большими и достаточно свободными от ошибок, чтобы победить в этой квантово-классической борьбе. Пока же они довольствуются тем, что достойно борются на ковре.