Минуты вместо десятков тысяч лет

Компания Google официально подтвердила: ее квантовый компьютер достиг квантового превосходства, то есть способности решать задачи, которые не под силу обычным вычислительным машинам. Как заявили разработчики, прототип квантового процессора Google Sycamore за 3 минуты 20 секунд провел математическое вычисление, на которое у его обычных аналогов ушло бы десять тысяч лет. Под «обычным» аналогом подразумевался самый мощный в мире действующий суперкомпьютер Summit от конкурента Google — IBM.

Эта компания, тесно сотрудничающая с NASA, тоже ведет разработку собственного квантового компьютера. В IBM усомнились в достижении Google и заявили, что обычный вычислитель справится с задачей, которую выполнил компьютер Google, в худшем случае за два с половиной дня, причем полученный ответ будет точнее, чем у квантового компьютера.

«Да, действительно, специалисты IBM предложили способ моделирования квантового алгоритма на классическом компьютере, с помощью которого можно промоделировать результат, рассчитанный на квантовом процессоре Google, значительно быстрее, чем указано в оригинальной статье, — рассказал “Стимулу” старший научный сотрудник Центра квантовых технологий физического факультета МГУ Станислав Страупе. — Однако я не сказал бы, что это умаляет достижение Google. Во-первых, даже пользуясь алгоритмом IBM, понадобится более двух дней вычислений на мощнейшем суперкомпьютере Summit и несколько петабайт (!) пространства на жестком диске (алгоритм IBM очень активно использует дисковое пространство для хранения промежуточной информации), чтобы воспроизвести результат, полученный на Sycamore за 200 секунд. Так что превосходство, на мой взгляд, по-прежнему налицо. Ну и, наконец, достаточно добавить в процессор еще несколько кубитов, и мы вернемся к тысячелетним масштабам даже для Summit — сложность моделирования растет экспоненциально».

В статье, которая вышла в Nature, указано, что пока новый процессор Google осуществляет за один раз только один технический расчет. И должно пройти еще много лет, прежде чем квантовые компьютеры смогут решать практические задачи. Тем не менее разработчики говорят о важной вехе на пути к полномасштабному квантовому вычислительному процессу.

«Это достижение является результатом многолетних исследований и самоотверженного труда многих людей. Это также начало нового путешествия: надо выяснить, как заставить технологию работать. Мы сотрудничаем с исследовательским сообществом и имеем инструменты с открытым исходным кодом, позволяющие другим работать вместе с нами», — отметили в компании.

Информацию о достижении квантового превосходства подтвердило и NASA. Чтобы в этом убедиться, NASA и Google обратились в Национальную лабораторию в Ок-Ридже, штат Теннесси, где находится Summit. Там проверили, совпадают ли результаты работы квантового компьютера с результатами суперкомпьютера вплоть до предела квантового превосходства, — и выяснилось, что оно было достигнуто.

По словам главы Google Сундара Пичаи, для лучшей демонстрации квантового превосходства нужно построить отказоустойчивый компьютер с бо́льшим количеством кубитов, а это может занять несколько лет. Однако, как подчеркнул Пичаи, уже совершен прорыв: «Если брать аналогию — братья Райт. Первый самолет летел только двенадцать секунд, и в этом тоже не было практической пользы. Но это доказало, что самолет может летать».

Станислав Страупе пояснил, в чем значимость достижения Google: «С точки зрения абстрактной науки о вычислениях получено экспериментальное подтверждение того, что существует модель вычислений, качественно превосходящая возможности машины Тьюринга, то есть обычного классического компьютера. Это очень важно, поскольку до последнего времени стоял вопрос, нет ли каких-то принципиальных причин, по которым построение квантового вычислителя, достаточного для эксперимента такого масштаба, невозможно. Судя по всему, их нет, и в ближайшее время нас ожидает дальнейшее увеличение сложности и повышения качества квантовых процессоров. И если уровень развития технологии квантовых вычислений уже сейчас достаточен для того, чтобы решать хоть какие-то задачи, неподвластные классическим компьютерам, то можно ожидать, что скоро эти устройства смогут оказаться полезными и с практической точки зрения».

По словам ученого, очень важно также провести предложенное IBM моделирование и независимо верифицировать результат Google для 53 кубитов. Это будет убедительной независимой проверкой. Именно так можно удостовериться, что процессор Google ведет себя как ему положено и действительно выполняет заданный алгоритм, даже в той области, где сам Google не мог его протестировать.

Пока новый процессор Google может осуществлять только один технический расчет за раз, а до того, как квантовые компьютеры смогут решать практические задачи, пройдут годы

Google

Российские кубиты

В России есть несколько крупных проектов создания прототипов квантовых компьютеров. Недавно в НИТУ МИСиС заработал прототип такого устройства. Компьютер на двух кубитах выполнил заданный алгоритм, превысив ранее известный предел точности на три процента.

Другой проект выполняется в Центре квантовых технологий (ЦКТ) на физическом факультете МГУ. Московский университет стал одним из победителей конкурса НТИ и получил грант на создание ЦКТ в декабре 2017 года. Главной задачей центра стало развитие всех ключевых направлений в этой отрасли и их коммерциализация.

Помимо МГУ в консорциум вошли несколько ведущих вузов России, в том числе МГТУ имени Н. Э. Баумана и Санкт-Петербургский государственный университет. В него попали многие академические и научно-исследовательские институты: ВНИИ автоматики имени Н. Л. Духова, Казанский научный центр РАН, новосибирский Институт физики полупроводников СО РАН, Физико-технологический институт РАН и Институт физики твердого тела РАН из Черноголовки.

В развитии квантовых технологий будут участвовать и компании — лидеры рынка в области IT и кибербезопасности, среди них ОАО «Криптософт», концерн «Автоматика» и национальный чемпион «ИнфоТеКС». У ученых МГУ и «ИнфоТеКСа» уже есть совместная разработка — коммерческая версия первого российского квантового телефона.

Заявленная цель ЦКТ в научно-техническом направлении — преодолеть технологические разрывы в сфере квантовых технологий между научными разработками в области среднемасштабных квантовых компьютеров и созданием соответствующей элементной базы.

«Мы создаем два различных прототипа квантовых вычислителей, — рассказывает Станислав Страупе. — В одном из них используются в качестве кубитов состояния одиночных атомов в оптических ловушках, в другом — фотоны в оптических интегральных схемах. Сейчас мы работаем над реализацией двухкубитных операций в атомном вычислительном регистре и над увеличением доступного числа фотонов в оптическом вычислителе. Надеемся выйти на уровень нескольких десятков кубитов в ближайшие пару лет. Кроме того, мы активно работаем над созданием системного программного обеспечения, без которого работа с вычислителем сторонних пользователей невозможна».

При успешном развитии событий в ЦКТ планируют начать тестирование системы онлайн-доступа к квантовому компьютеру (вначале — к симулятору квантового компьютера, потом — к реальной машине) в конце 2020 года.