Квантовое превосходство Китая
Очередной год – и очередное сообщение о достижении «квантового превосходства». В прошлый раз об этом заявили в Google, теперь – в Китайской академии наук, хотя устройство их систем радикально отличны друг от друга. Будущее квантовых компьютеров сделалось еще чуть ближе – но осталось таким же туманным.
Ключевым и самым долгожданным этапом в развитии квантовых вычислений можно назвать достижение «квантового превосходства». Так называют способность этих компьютеров решать некоторые проблемы, практически недоступные для традиционных полупроводниковых систем.
Осенью 2019 г. об этом официально заявили разработчики квантового компьютера Google Sycamore: по их данным, система за 200 секунд справилась с задачей, которая потребует порядка 10 тыс. лет работы классических суперкомпьютеров. Это заявление было встречено с долей скепсиса, а конкуренты из IBM подсчитали, что на деле использованная задача может быть решена и за пару дней – достаточно для преимущества, но не для полноценного превосходства.
Ну а на днях с аналогичным сообщением выступили и китайские разработчики, статья которых опубликована в свежем выпуске журнала Science. Возглавляет команду всемирно известный эксперт в области квантовой физики и информатики Цзяньвэй Пан (Jian-Wei Pan). Именно под его руководством несколько лет назад был создан и успешно испытан на орбите спутник Mozi, с помощью которого была организована первая в истории линия космической связи, защищенная квантовой криптографией. Неудивительно, что не прошло и суток, как заявление Цзяньвэй Пана и его коллег привлекло большое внимание людей во всем мире.
Мы не будем в очередной раз вдаваться в подробное описание работы квантовых компьютеров – об этом «TechInsider» уже не раз писала. Заметим лишь, что в основе таких технологий лежит использование кубитов – особых единиц хранения информации. В отличие от обычных, «квантовые биты» не имеют двух определенных состояний (0 или 1), а могут принимать одновременно и то, и другое значение. Добиваясь состояния квантовой запутанности между кубитами, можно заставить их синхронно реагировать на все манипуляции, которые производятся с одним из кубитов.
Все это позволяет квантовому компьютеру обрабатывать одновременно много состояний кубитов и быстро производить некоторые вычисления, с которыми с трудом справляются даже самые высокопроизводительные системы с традиционных битами. Неудивительно, что в гонке за созданием таких компьютеров участвуют практически все ведущие игроки рынка, включая Google и Amazon, IBM и Honeywell, Intel и Microsoft, и целый ряд менее громких имен. Действующие прототипы некоторых таких систем доступны через интернет для ученых и разработчиков.
Однако полноценных и практически полезных квантовых компьютеров нет до сих пор. Для достижения настоящего квантового превосходства понадобятся системы, содержащие, по разным подсчетам, от нескольких сотен до нескольких миллионов кубит. А между тем разработчики даже не могут определиться с тем, как именно должны выглядеть кубиты и как организовать их в систему, которая будет надежной и устойчивой к естественным шумам, неизбежным при работе на «квантовом уровне». Так что пока речь идет лишь о десятках кубит.
Дело в том, что для получения кубита можно использовать различные физические объекты и явления. Это могут быть сверхпроводящие элементы или полупроводниковые квантовые точки, отдельные частицы, подвешенные в оптической ловушке или фотоны света, направляемые системой линз и зеркал. Все они могут проявлять неопределенность некоторых характеристик – например, спина электрона или поляризации фотона. И всех их можно «спутывать», чтобы использовать в качестве основы для создания квантовой вычислительной системы.
Например, процессор Google Sycamore состоит из 54 кубит на сверхпроводниках (хотя в процессе демонстрации своего «превосходства» удалось использовать всего 53), которые сохраняются при криогенных температурах. А команда Цзяньвэй Пана, работающая в Китайском институте науки и технологии в Хэфее, воспользовалась спутанными фотонами, движущимися по сложной оптической системе. Авторам удалось довести число измеряемых частиц до 76-ти, хотя в среднем уровень был заметно ниже и составил всего 43 частицы – кубита.
Стоит добавить, что квантовые системы с «фотонными» кубитами по-своему удобнее «полупроводниковых»: они не требуют криогенного охлаждения и соответствующей сложной дополнительной инфраструктуры. С другой стороны, архитектура «полупроводниковых» квантовых компьютеров более гибка и позволяет программировать их для решения задач разного типа, – тогда как «фотонные» приходится проектировать под ту или иную проблему индивидуально.
Квантовый компьютер Jiuzhang был спроектирован для решения задачи «бозонной выборки » (сэмплировании). Она крайне сложна для решения классическими методами и поэтому считается одной из тех самых проблем, на которых можно продемонстрировать квантовое превосходство. Сильно упрощая, можно сказать, что система состоит из 100 входящих каналов, попадая в которые, свет затем проходит через сотни делителей и десятки зеркал, попадая на 100 выходящих каналов. Задача состоит в том, чтобы предсказать выходной сигнал, и у Jiuzhang на это ушло около 200 секунд.
Ученые составили код для моделирования аналогичных вычислений на суперкомпьютере Sunway TaihuLight – самом мощном в КНР и четвертом по производительности в мире. Пробные запуски программы продемонстрировали, что даже он не способен составить конкуренцию фотонной квантовой системе: по оценкам ученых, ему потребуется более двух миллиардов лет на решение задачи, на которую у квантового компьютера ушло несколько минут – в сотню триллионов раз меньше. Ну а пока они работают над более мощной версией системы, которую планируют показать уже в наступающем 2021 году.