Був кінець 2019 року, коли Google вперше заявив про досягнення «перемоги» у квантових обчисленнях у вигляді робочого квантового комп’ютера Google Sycamore. Через чотири роки після того, як Google вперше продемонстрував перевагу квантових комп’ютерів над звичайними, ці машини все ще не використовуються для практичних завдань. Чому ми досі не маємо корисних на практиці квантових комп’ютерів?
Особливості конструкції квантового комп’ютера дозволяє йому вирішувати певні задачі на порядки швидше, ніж може будь-який звичайний або класичний комп’ютер. В 2019 році Google оголосив, що його квантовий комп’ютер досяг квантової переваги, виконавши обчислення, неможливі для найкращих суперкомп’ютерів комп’ютерів того часу.
Окрім Google у 2019 році подібні заяви робили також інші розробники квантових комп’ютерів. Але в кожному випадку класичні кремнієві комп’ютери запускали вдосконалений алгоритм вирішення задачі і відновлювали своє домінування над квантовими машинами або, принаймні, загрожували цим.
Хоча результат квантового комп’ютера Google у 2019 здавався неможливим для класичних комп’ютерів у будь-який розумний проміжок часу, у 2022 році дослідникам вдалося створити новий алгоритм, щоб зробити саме це.
Вирішення питання про квантову перевагу раз і назавжди залежатиме як від кількості використовуваних кубітів, або квантових бітів, так і від складності, з якою вони запрограмовані, що називається глибиною схеми. Лише коли комп’ютер отримає достатньо високі оцінки за обома показниками, результати роботи квантової машини будуть недосяжними для будь-яких класичних обчислень або вдосконалених алгоритмів.
«Згодом кількість кубітів стане настільки великою, що жоден класичний алгоритм не зможе її наздогнати, але незрозуміло, коли це станеться – це одна річ, яку Google намагається з’ясувати», – каже Білл Фефферман з Чиказького університету.
Підвищена складність
В 2019 році Google продемонстрував перевагу квантового комп’ютера над класичним у завданні під назвою вибірка випадкових ланцюгів. Воно передбачає перевірку того, що значення кубітів після того, як вони зазнали випадкових операцій, є дійсно випадковими. Він використовував 54 надпровідні кубіти протягом 20 циклів, що вказує на те, як довго вони виконують ці випадкові операції, і пов’язано з глибиною схеми.
У квітні цього року дослідники з Google здійснили такий самий подвиг, але з 70 кубітами за 24 цикли. Хоча збільшення може здатися скромним, стрибок у складності великий і, як сподівається компанія, достатній, щоб зробити класично-квантовий розрив більш постійним. Обчислення 70-кубітніої машини найкращі суперкомп’ютери зможуть повторити, витративши 47 років, стверджує Google.
На даний момент це є найкращою демонстрацією квантової переваги, яку ще належить перевершити класичним комп’ютерам. Але ці 70 кубітів не ідеальні – вони страждають від «шуму», який ускладнює перевірку того, що комп’ютер повністю справний, використовує переваги своєї квантової природи та не вразливий до класичних досягнень. Дослідники з Google зараз працюють над тим, як вони можуть довести та кількісно визначити, що комп’ютер виконує справді квантове завдання, і як цей шум впливає на це вимірювання.
Наразі вони робили це за допомогою тесту, який використовує класичний комп’ютер для прогнозування результатів для квантової машини, а потім обчислює різницю між остаточними відповідями. Чим більша різниця, тим складніша квантова система.
Але було незрозуміло, наскільки це вимірювання відповідало справжній природі квантового комп’ютера і в який момент шум зробив це вимірювання марним.
Google і, в окремому результаті, Фефферман і його колеги точно визначили точний рівень шуму, при якому ми можемо ефективно використовувати цей тест для квантового комп’ютера з певною кількістю кубітів.
«Це справді важливо, тому що це дає нам еталон, за яким ми можемо порівнювати послідовні покоління цих експериментів, як яблуко з яблуком», — каже Фефферман.
Дослідники з Університету науки і технологій Китаю (USTC) також продемонстрували квантову перевагу, використовуючи 56 кубітів надпровідного квантового комп’ютера під назвою Zuchongzhi – апаратне забезпечення, подібне до Google. Але вони також працюють над альтернативним проектом квантової машини, який використовує фотони для кубітів. Ця машина під назвою Jiuzhang продемонструвала значну перевагу, але має деякі унікальні проблеми.
Цзючжан виконує вибірку бозонів, яка вимірює вибірку фотонів, які відскочили навколо лабіринту дзеркал і світлорозділювачів. Класичні комп’ютери не можуть точно виконувати ці вимірювання понад певної кількості фотонів. Перевірити, що вимірювання справді квантові, непросто – фактично, узгодженого способу зробити це наразі не існує.
«Теорія сертифікації цих машин все ще залишається відкритою», — каже Ніколас Кесада з Polytechnique Montr?al у Канаді.
Через це результати дослідників вразливі до класичних алгоритмів. USTC стверджував, що його оригінальний результат на Цзючжан займе 600 мільйонів років для перевірки класичним комп’ютером, але в 2022 році група дослідників показала, що натомість це можна зробити за кілька місяців через лазівку в тому, як фотони вимірювалися детекторами.
У квітні USTC виправив цю лазівку, використовуючи новий тип фотонного детектора, і підтвердив його квантову перевагу, але без узгоджених засобів перевірки цієї переваги класичні машини все одно можуть її зруйнувати, каже Кесада.
Практичні завдання
Незважаючи на те, що команда USTC зосереджена на зміцненні своєї квантової переваги та розумінні того, як працюють її машини, практичного використання самої квантової переваги ще не знайдено.
У лютому дослідники з USTC опублікували статтю, в якій досліджували, як відбір проб бозонів може бути застосований до проблем із графами, які є математичними проблемами і які можуть бути практично корисними для таких речей, як розробка ліків та машинне навчання.
«Те, як ми описуємо квантовий комп’ютер, математичну структуру, яка використовується для цього, дуже схожа на інші цікаві математичні схеми», — каже Наомі Соломонс з Брістольського університету, Великобританія.
Незважаючи на те, що автори дійшли висновку, що вибірка бозонів може допомогти виконати певні проблеми з графом набагато швидше, вони зіткнулися з тією ж проблемою перевірки, що й раніше, і не могли сказати, чи зможуть класичні алгоритми забезпечити таке ж підвищення продуктивності.
Відображення проблем реального світу на квантових комп’ютерах і навпаки, ймовірно, становитиме значну частину досліджень і розробок у найближчі роки, каже Джей Гамбетта з IBM.
«Ми можемо сказати, що квантові процесори досягають такого масштабу корисності, але я не думаю, що ми робимо достатньо як спільнота, щоб визначити, які схеми ми будемо запускати – я думаю, що ця проблема така ж складна, як і інші», – каже експерт.
Гамбетта з колегами є частиною чотирьох окремих робочих груп з вченими в інших галузях, які досліджують, як сучасні квантові машини можна застосувати до наукових проблем, таких як фізика високих енергій, матеріали, науки про життя та фінанси. Конкретні проблеми, такі як те, як частинки відскакують одна від одної та як пари частинок розділяються, були виділені як такі, що мають особливу перспективу для квантових машин у найближчому майбутньому.
Замість того, щоб позначати момент, коли можна сказати, що квантові комп’ютери нарешті мають перевагу над класичними машинами, використовуючи тести та математичні докази, було б доцільніше визначити цей момент, коли вчені в інших областях вирішують використовувати квантові комп’ютери для своєї роботи, каже Гамбетта.
За матеріалами: New Scientist
