Квантовое превосходство всё ближе и ближе

Физики из Google смогли продемонстрировать, что уже существующие квантовые компьютеры смогут решить нерешаемую любым «обычным» суперкомпьютером задачу.

Ок, Google, но… в 2019 году учёные из лаборатории квантового искусственного интеллекта этой компании уже делали подобное оптимистичное заявление. Правда, тогда их мечты разбились о суровую неквантовую реальность. Если обычный классический компьютер, пусть даже с приставкой «супер», оперирует в своих процессорах и регистрах только двумя абстрактными состояниями – 0 и 1, то квантовый компьютер, построенный на не совсем очевидных для «обычного» мира квантово-механических законах, может как бы «держать» в своём уме – кубите – и ноль и единицу одновременно. И за счёт этого производить некоторые вычисления со скоростью, недостижимой обычным компьютерам. Очень образно эту разницу можно представить, как если бы вы попытались измерить площадь своей комнаты, закрашивая на полу карандашом квадратики размером миллиметр на миллиметр, и тщательно их подсчитывая в блокнотике, а ваш сообразительный «квантовый» сосед для той же задачи использовал бы рулетку и просто перемножил длину комнаты на её ширину.

Никакой суперкомпьютер не сможет тягаться в плане вычислительной мощности с квантовым, но только при одном условии – если квантовый компьютер будет идеальным. В реальном мире квантовые компьютеры не идеальны. Их главные элементы – кубиты – не изолированы в идеальном вакууме, а взаимодействуют с окружающим миром, который вносит помехи и шум, разрушая хрупкий квантовый «гомеостаз». И чем более мощный квантовый компьютер мы хотим собрать, чем больше кубитов хотим связать друг с другом, чтобы они что-то полезное нам посчитали, тем это сложнее добиться. С этим связан тот факт, что несмотря на периодические заявления из разных лабораторий о постройке очередного квантового компьютера с очередным рекордным количеством кубитов, добиться того самого квантового превосходства от этого компьютера пока всё никак не получается. Так случилось и в 2019 году, когда квантовый процессор Sycamore от Google оказался практически «побит» суперкомпьютером Summit другой корпорации – IBM. Впрочем, и квантовым разработкам IBM впоследствии доставалось не меньше.

И вот, как пишут в свежей статье в Nature исследователи из всё той же Google, им удалось, экспериментируя с более продвинутой версией Sycamore, определить такие границы «шумности» квантового процессора, при которой он точно сможет получить первую в мире медаль «за квантовое превосходство».

«Появление шума в процессоре делает его менее квантовым и более похожим на классический, и исследователям удалось установить границу шума для последовательностей случайных выборок (Random circuit sampling) разной глубины, и показать, что границы квантового превосходства сродни границе между льдом и водой – при заданных начальных условиях всегда можно сказать, где будет переход, и он будет качественный. Ниже границы квантовый компьютер всегда быстрее, выше – медленнее», — комментирует Алексей Акимов, научный директор Российского квантового центра.

Интересно, что вблизи порогового значения даже незначительное уменьшение уровня шума способно кардинально изменить «квантовую мощность» компьютера. Отсюда можно сделать простой вывод, что не так важно, условно говоря, гнаться за количеством кубитов в квантовом компьютере, сколько поднимать качество операций и их безошибочность на уже существующих и работающих установках. Так, гляди, и квантовое превосходство быстрее наступит.

По материалам пресс-службы Российского квантового центра.