Квантовая революция совершилась? Что означает новый технологический прорыв Google

Они наконец сделали это. После многих лет — нет, десятилетий — надежд и мечтаний без каких-либо практических результатов исследователи из сообщества квантовых вычислений выполнили обещанное. Или нет?

На прошлой неделе просочились новости о том, что исследователи из Google и других учреждений решили проблему на квантовом компьютере в 1 млрд раз быстрее, чем на классическом компьютере. В Google не ответили на запрос о комментариях, но согласно черновой рукописи, описывающей эксперимент, они достигли «квантового превосходства» — что «предвещает появление столь ожидаемой вычислительной парадигмы».

Однако реакция остальной части «квантового сообщества» была абсолютно противоречивой. В электронном письме физик Джон Прескилл из Калифорнийского технологического института назвал работу «поистине впечатляющим достижением в экспериментальной физике». С оговоркой, что появившаяся рукопись — это всего лишь черновик, математик Эшли Монтанаро из Бристольского университета отмечает, что это «действительно волнующий момент», но также то, что работа «не имеет практического значения». Дарио Хил, директор по исследованиям в IBM, оспаривает само понятие квантового превосходства, считая, что этот термин «вводит в заблуждение».

Что же из этого правда? Команда Google преодолела крутой технологический барьер или провела в значительной степени бесполезный эксперимент, прикрывшись хитрым брендингом? Истина лежит где-то посередине и отражает напряженность конкуренции в мире квантовых вычислений.

С одной стороны, исследователи сумели провести чрезвычайно сложный эксперимент, основанный на тщательных математических доказательствах и годах развития вычислительной техники — неоспоримое достижение. Тем не менее, этот эксперимент не приближает их к коммерческим устройствам, которые обещало «квантовое» сообщество, к тому, что уникальные вычислительные возможности компьютера будут открывать новые молекулы для более качественных батарей, лекарств и многого другого, на скоростях, с которыми не сравниться обычным компьютерам. То есть это и большая победа, и небольшое разочарование.

Чтобы разобраться в этом, давайте посмотрим, что на самом деле описывает документ Google. Исследователи провели эксперимент на чипе квантовых вычислений под названием Sycamore, содержащем 54 кубита — это крошечные объекты, которые можно запрограммировать для представления цифр 0, 1 или взвешенной комбинации обеих, называемой суперпозицией. Исследователи применяют к кубитам импульсы напряжения и микроволны в различных последовательностях, изменяя их значения в соответствии с правилами, установленными квантовой механикой. Соедините несколько таких последовательностей импульсов, и у вас будет алгоритм для квантового компьютера.

В эксперименте по квантовому превосходству ученые Google разработали несколько последовательностей импульсов, которые по существу превращают их компьютер в генератор случайных чисел. Затем они заставили квантовый компьютер выдавать миллионы чисел. Хотя числа выглядят случайными, они все укладываются в схему, предписанную алгоритмом Google. Затем они проверили с помощью квантовых вычислений, действительно ли числа соответствуют этой модели, и компьютер показал, что да.

Сама по себе эта задача — просто повод устроить состязание между квантовым компьютером и суперкомпьютером. Ее практическая польза минимальна. Но это первая гонка, которую, похоже, выиграл квантовый компьютер. Суперкомпьютер не смог достаточно быстро проверить, подчинялись ли числа конкретному распределению.

Путь к этому эксперименту начался более десяти лет назад, когда исследователи еще не работали в Google. В 2004 году Барбара Терхал и Дэвид Ди Винченцо, будучи сотрудниками IBM, разработали первоначальное математическое доказательство того, что кубиты могут решать конкретную задачу быстрее, чем классические биты. Было неясно, попытается ли кто-нибудь когда-нибудь реализовать это, так как квантовые компьютеры попросту не существовали.

«Это казалось мне хорошей, но по большей части теоретической идеей, — говорит Терхал, сейчас работающая в Технологическом университете Делфта в Нидерландах. — Мы представили первый проект на конференции по информатике, но он был отклонен. Никто не подумал: «О, это хорошая идея!» Вовсе нет».

Исследователи университетов в США и Канаде разработали первые прототипы используемых Google кубитов, построенных из крошечных сверхпроводящих цепей, еще в 2007 году. Другие исследователи, в том числе Джон Мартинис, который сейчас возглавляет исследовательскую группу Google, улучшили дизайн и придумали, как соединить их и заставить проводить вычисления. В конце концов эти коллективные усилия привели к созданию своего рода симфонии, только музыкантам пришлось не только написать всю музыку, но и придумать все инструменты и только затем сыграть ее.

Статья представляет собой грандиозный научный продукт. Но сегодня, когда крупные корпорации и стартапы разрабатывают эти неосязаемые машины, акцент сместился с научных достижений на экономическую сторону дела. Несколько лет исследователи говорили о туманной цели квантового превосходства как предвестника того, что на технологии можно будет начать зарабатывать. Этот термин, впервые использованный Preskill в 2011 году, предназначался для описания эпохи, когда устройства станут быстрее, чем классические компьютеры. Так достиг ли Google квантового превосходства?

«Я не знаю, кто решает, что такое превосходство», — говорит Терхал.

Она считает, что ни один эксперимент не может продемонстрировать квантовое превосходство, нужна серия успешных попыток. По ее мнению, эксперимент Google — это скорее «ступенька».

Некоторые исследователи предпочитают вообще не фокусироваться на превосходстве. IBM, например, описывает производительность своего компьютера, используя более основательные, возможно, даже старомодные показатели, частично основанные на тестах точности. Это, по словам исследователя квантовых вычислений IBM Джея Гамбетты, дало им «дорожную карту, показывающую улучшение систем с течением времени».

Другая проблема с превосходством заключается в том, что классические алгоритмы могут иногда наверстать упущенное, говорит физик Робин Блюм-Кохоут из Национальной лаборатории Сандиа. Возможно, на данный момент Google превзошел суперкомпьютеры, но в итоге кто-то может придумать, как выиграть матч-реванш на традиционном компьютере.

Некоторым исследователям просто не нравится термин сам по себе. «В сообществе было много дискуссий о том, следует ли нам использовать «превосходство» из-за его неприятных коннотаций», — говорит Блюм-Кохоут. Одна из альтернатив — «квантовое преимущество».

Существует также вероятность того, что заявка Google не выдержит проверку временем. Ученые написали в своей статье, что квантовый компьютер может выполнить задачу за 200 секунд по сравнению с 10 тысячами лет для суперкомпьютера. Очевидно, что они не использовали суперкомпьютер в течение 10 тысяч лет, чтобы подтвердить свои утверждения. Вместо этого исследователи запустили упрощенные версии задачи как на квантовом компьютере, так и на суперкомпьютере, и сравнили результаты. Когда квантовый компьютер преуспел в выполнении более простых задач, они решили, что устройство также правильно выполнило бы более сложную задачу. Хотя Терхал и считает этот метод убедительным, она отмечает, что некоторые эксперты считают его «слегка ненадежным». По ее мнению, чтобы убедить скептиков, Google нужно предоставить доступ к их устройству независимым исследователям, чтобы они могли самостоятельно провести эксперимент.

Что абсолютно ясно на сегодняшний день, так это то, что квантовое превосходство больше не считается полезным термином. Исследователи должны разработать и согласовать более наглядные способы представления своих машин, говорит Блюм-Кохоут. «Квантовые компьютеры сложны, — добавляет он. — Вы не можете свести все под одну гребенку».

Истинный смысл эксперимента Google — нечто более простое. Они создали оборудование, которое работает достаточно хорошо для выполнения, пожалуй, самой сложной задачи на сегодняшний день. Но если смотреть шире, с точки зрения создания прибыльного квантового компьютера, остается неясным, преодолели ли они точку невозврата.