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.
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».
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.
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.
Магнитная проблема
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.
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.
Классические суперкомпьютеры все еще в гонке
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.
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.