Впервые квантовый компьютер решил практически важную задачу, которую классические компьютеры решить не могут

Квантовый процессор решил важную задачу теории магнетизма в твердых телах. Разработчик процессора и алгоритма компания D-Wave заявляет, что для решения этой задачи потребовались бы сотни тысяч лет на самых больших классических суперкомпьютерах. Но специалисты считают, что классические суперкомпьютеры еще не сказали свое последнее слово, и гонка за квантовое превосходство только начинается, хотя они согласны, что D-Wave продемонстрировала сильный результат.
Впервые квантовый компьютер решил практически важную задачу, которую классические компьютеры решить не могут
Квантовый процессор Advantage2 компании D-Wave. D-Wave Quantum Inc.
Квантовое превосходство предполагает демонстрацию задачи, которая быстро решается на квантовом процессоре, но требует огромного времени для счета на классических суперкомпьютерах. До сих пор все попытки продемонстрировать квантовое превосходство и Google, и IBM кончались неудачей: специалистам удавалось так перестроить классические вычисления, что они работали по крайней мере не хуже, чем квантовые машины. Но кажется, результат D-Wave на классической машине превзойти будет крайне непросто.

Квантовый процессор решил важную задачу теории магнетизма в твердых телах. Разработчик процессора и алгоритма компания D-Wave заявляет, что для решения этой задачи потребовались бы сотни тысяч лет на самых больших классических суперкомпьютерах.

Хотя Google и другие компании заявляли о достижении квантового преимущества — в последний раз с чипом Sycamore, который Google представила в декабре 2024 года, — исследователи из D-Wave, компании из Бернаби, Канада, говорят, что их результат, опубликованный в Science, является первым, который решает реальный физический вопрос. «Мы считаем, что это первый раз, когда кто-то сделал это для проблемы, представляющей научный интерес», — говорит физик D-Wave Эндрю Кинг.

Команда D-Wave проделала большую работу, но классические вычисления пока не следует сбрасывать со счетов, говорит Майлз Стауденмайр, исследователь из Центра вычислительной квантовой физики Института Флэтайрон в Нью-Йорке: «Мы все еще в гонке».

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

По словам Кинга, результат также подтверждает правильность подхода компании к квантовым вычислениям. Вместо того чтобы создавать «универсальный» квантовый компьютер, который может выполнять любой квантовый алгоритм, D-Wave сосредоточилась на подходе, который был ограничен выполнением определенных вычислений, но более прост в масштабировании.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Будучи одним из первых пионеров в квантовой области, машины D-Wave долгое время лидировали в отрасли по количеству кубитов, квантового эквивалента классических битов информации. В последнем процессоре используются тысячи кубитов. «Это результаты 25 лет разработки оборудования и исследований в D-Wave», — говорит Мохаммад Амин, еще один физик компании.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Магнитная проблема

Процессор Sycamore компании Google использует квантовые биты, или кубиты, для выполнения алгоритмов.
Процессор Sycamore компании Google использует квантовые биты, или кубиты, для выполнения алгоритмов.
Peter Kneffel/dpa/Alamy

Проблема, решенная D-Wave, касается теории магнетизма, большой области теоретической физики. Электронные спины каждого атома — это своего рода иглы, и то, как они ориентированы внутри твердого тела в ответ на ориентацию своих соседей, давно стало прототипом для изучения сложных систем.

В типичном постоянном магните все спины выровнены в одном направлении. Но в обычных материалах соседние спины оказывают противоречивое влияние друг на друга, а стабильные конфигурации либо не существуют, либо их крайне сложно предсказать. Квантовые эффекты добавляют сложностей.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Кинг, Амин и их коллеги в D-Wave и в нескольких академических лабораториях использовали новейшую машину D-Wave, называемую Advantage2, для моделирования конфигураций спинов в нескольких трехмерных кристаллических структурах. Они изучали конкретную задачу, в которой температура материала начинается с абсолютного нуля, а квантовые флуктуации позволяют ему переходить из одного состояния в другое. Ученые подсчитали, что их машина достигла результата экспоненциально быстрее, чем любое классическое вычисление.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Классические суперкомпьютеры все еще в гонке

Google Quantum AI
Google Quantum AI
Google
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Результат следует за несколькими заявлениями о квантовом преимуществе. Google сделала первое такое заявление в статье, которая вызвала сенсацию в 2019 году. Компания использовала универсальный квантовый компьютер со сверхпроводящими кубитами для выполнения вычисления, которое было специально разработано для проверки квантового преимущества, но не имело практического применения. Вскоре IBM и другие компании показали, что, улучшая классические методы, они все еще могут выполнять те же вычисления на обычных компьютерах.

Затем IBM добилась квантового преимущества в полезном приложении в 2023 году. Но это заявление постигла та же участь, что и заявление Google, когда физик Майлз Стауденмайер из Центра вычислительной квантовой физики Института Флэтайрон в Нью-Йорке и его коллеги показали, что их классические алгоритмы могут решить эту проблему так же быстро.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В ответ на предварительную версию статьи D-Wave Стауденмайер опубликовал результат на arXiv, в котором его команда улучшила классические алгоритмы, чтобы выполнять некоторые из тех же вычислений, что и машина D-Wave.

«Это превосходное исследование, а также большой научный прорыв», — говорит Хуан Карраскилья, физик из ETH Zurich и соавтор статьи D-Wave. Тем не менее, D-Wave устоял перед атакой со стороны обычных компьютеров, говорит ученый. «То, что они сделали, — это подмножество того, что сделали мы», — говорит Кинг. — «Они продвинули классический алгоритм, но не настолько далеко, чтобы достигнуть наших результатов».

Команда Стауденмайра совершенствует свои методы, чтобы охватить все симуляции D-Wave. «Мы пытаемся прямо сейчас», — говорит ученый. — «Мы верим, что это сработает». Стауденмайр отмечает, что часто не ценят, как быстро совершенствуются классические вычислительные методы.