В июле 2017 года на конференции Российского квантового центра в Москве Джон Мартинис — руководитель направления квантовых вычислений компании Google — в своей публичной лекции заявил о планах достижения квантового превосходства. Эта тема приковала к себе огромное внимание со стороны ученых и всех ведущих мировых СМИ. Факт существования квантовой гонки стал очевиден: на этой же самой конференции, помимо планов Google, был анонсирован самый мощный на тот момент квантовый симулятор, который был разработан группой Михаила Лукина в Гарвардском университете. Стало ясно, что крупные корпорации и лучшие исследовательские центры преследуют одну важную цель — продемонстрировать возможность квантового компьютера решать задачи, непосильные для традиционных классических компьютеров.
Что же такое квантовый компьютер?
Мы привыкли к традиционным способам кодирования информации в состояния «0» и «1». Классические компьютеры проводят свои расчеты путем построения логических операций над регистрами, содержащими битовые строки — наборы нулей и единиц. При этом в каждый момент времени регистр из N бит находится в одном из 2^N возможных состояний. За счет необычных квантовых явлений квантовый регистр может содержать в себе одновременно все возможные 2^N состояний. Он как бы проверяет все возможные варианты решения задачи одновременно. Таким образом, за счет управления квантовыми системами можно строить принципиально новые типы вычислительных устройств, которые способны оперировать огромным пространством состояний. Квантовые аналоги битов информации называются кубитами. Количество кубитов является важной (хотя и не единственной) характеристикой мощности квантовых компьютеров.
Почему мы верим, что квантовые компьютеры могут быть мощнее классических?
Причин для этого несколько. Во-первых, нам уже известен ряд квантовых алгоритмов, которые могут за короткое время решать задачи, на которые классическим компьютерам понадобятся миллионы лет непрерывных вычислений. Это задачи из сфер криптоанализа, моделирования сложных систем и т. д. Таким образом, квантовый компьютер может быть полезен в информационных технологиях, медицине, высокотехнологичном производстве и многих других сферах.
Во-вторых, промоделировать квантовую систему, состоящую из большого числа взаимодействующих квантовых частиц, очень затруднительно. Иными словами, с помощью классических компьютеров понять, как устроены квантовые системы, практически невозможно. Можно на классическом компьютере моделировать системы примерно из 50 кубитов. Это является одним из оснований верить в то, что порог квантового превосходства — возможности решать квантовым компьютером непосильные для классических машин задачи — находится за пределами 50 кубитов.
Несмотря на более-менее принятый консенсус относительно тезисов о мощности квантовых компьютеров, важным критерием является экспериментальное подтверждение квантового превосходства. Физика — наука экспериментальная. Да и без критики квантовых вычислений не обходится. Даже нобелевский лауреат Серж Арош когда-то написал статью «Quantum Computing: Dream or Nightmare?», в которой были описаны все сложности на пути к практическим квантовым вычислениям. Провести эксперимент по квантовому превосходству долгое время не удавалась. Определенные признаки квантового превосходства были зафиксированы уже в 2012 году в экспериментах группы Эммануэля Блоха, в которых квантовая система была промоделирована в тех режимах, где классические компьютеры не способны предсказать ее поведение. В 2017 году в экспериментах с программируемыми симуляторами Михаила Лукина и Криса Монро также исследовались квантовые системы за порогом возможностей классических компьютеров. Однако в силу специфичности задач о квантовом превосходстве говорилось не так однозначно.
Что показал эксперимент Google?
В эксперименте Google о превосходстве можно говорить гораздо более точно. Действительно, с экспериментальной демонстрацией квантового превосходства есть сложности. Сделать это на какой-то полезной задаче крайне затруднительно. Поэтому на помощь экспериментаторам пришли теоретики, которые предложили набор задач для демонстрации квантового превосходства. Отличительная черта этих задач в том, что они почти бесполезны с практической точки зрения. «Почти бесполезны» значит, что в них, может быть, и есть какая-то польза, но не столь насущная, как в квантовых алгоритмах для моделирования новых материалов с замечательными свойствами (например, высокотемпературной сверхпроводимостью) или алгоритме Шора, который может быть использован для взлома существующих криптографических алгоритмов. Тем не менее в эксперименте Google была использована именно «бесполезная» задача. Она связана с получением образцов (семплов) распределений в результате выполнения случайного набора квантовых операций. Чтобы не вдаваться в подробности, отметим, что про такую задачу известно, что классические компьютеры решают ее крайне плохо, а квантовые должны решать хорошо. Одно из возможных применений такого алгоритма, находящихся на стадии научных обсуждений, — это генерация случайных чисел.
Google реализовала эксперимент на своем чипе из 53 кубитов. По их информации, решение задачи на квантовом компьютере занимает порядка 200 секунд, тогда как на классическом суперкомпьютере решение задачи займет 10 000 лет. Информация об эксперименте появилась на сайте NASA, но сразу же была удалена. Тем не менее Financial Times удалось зафиксировать утечку. Комментировать данное событие сотрудники Google и их коллеги не могли из-за эмбарго, которое действует в научных журналах в момент рассмотрения статьи для публикации. Статья впоследствии вышла в журнале Nature. За это время подоспела и критика эксперимента со стороны компании IBM. Согласно их анализу, решение задачи на классическом суперкомпьютере можно выполнить не за десятки тысяч лет, а за считаные дни. Стоит отметить, что критика опирается на некоторые оценки, тогда как реальная эмуляция работы квантового процессора из 53 кубитов не была проведена.
К чему приведет квантовая гонка?
Несмотря на возможную критику, достижение Google — важнейший шаг на пути к практическим квантовым вычислениям, к возможности решать различные практически важные задачи с помощью квантовых компьютеров.
Текущую ситуацию лучше всего описал Скотт Ааронсон, назвав этот эксперимент Google битвой квантового Давида и классического Голиафа: квантовый компьютер всего из 53 кубитов соревнуется с самым мощным из построенных человечеством суперкомпьютеров. Не просто соревнуется, а побеждает. Порог квантового превосходства можно считать преодоленным. Что же дальше?
Следующий важный шаг — квантовое превосходство на полезных задачах. Квантовым компьютерам пророчат большое будущее в нескольких областях, в частности в задачах анализа химических соединений и химических реакций, а также в машинном обучении. Станет возможным синтезировать более прочные и легкие материалы, быстро подбирать лекарство по ДНК, оптимизировать транспортные потоки и производственные процессы. Полезное квантовое превосходство уже тесно связано с коммерческим успехом квантовых проектов, поэтому можно ожидать еще больших инвестиций и большего внимания к сфере квантовых технологий. Квантовая гонка переходит в качественно новое русло.
