На квантовом компьютере, процессор которого сложен из 53 элементарных блоков — кубитов на основе сверхпроводящих цепей, впервые решена задача достижения квантового превосходства. Для решения специальной вычислительной задачи квантовому компьютеру требуется время на много порядков меньшее, чем для решения той же задачи на обычном самом мощном на сегодняшний день суперкомпьютере.
Квантовое превосходство (quantum supremacy) — способность квантовых компьютеров решать вычислительные задачи значительно быстрее по сравнению с обычными компьютерами, работающими по принципу машины Тьюринга. Ускорение достигается за счёт использования принципиально других алгоритмов решения задач, обладающих более оптимальной «вычислительной сложностью» и реализуемых благодаря использованию квантовых, а не классических элементарных «блоков» хранения и переработки информации. Группе из примерно 70 авторов, в основном занятых в Google AI Quantum в Калифорнии, удалось реализовать экспоненциальное ускорение вычислений для решения специальной испытательной задачи по сравнению с классическим компьютером. 23 октября статья с описанием результатов была опубликована в журнале Nature.
В парадигме квантовых вычислений для хранения информации используются кубиты, или q-биты — некоторые физически реализуемые элементы, которые могут находиться в двух квантовых состояниях; их условно можно обозначить как |0> и |1>. В этом смысле они похожи на обычные элементы для хранения двоичных единиц информации (битов), используемые для записи на магнитных дисках. Там в качестве физического параметра, определяющего состояние элемента, используется направление намагниченности доменов на магнитном кристалле. В оперативной памяти компьютера в качестве таких элементов может использоваться, например, заряженное или разряженное состояние конденсатора.
Квантовая природа кубитов предполагает, что они могут пребывать одновременно в двух своих состояниях 0 и 1 (суперпозиции квантовых состояний) до выполнения акта «измерения», который даёт какое-то из этих двух значений. Состояния, набранные сочетанием нескольких кубитов, могут иметь свойства квантовой запутанности, что тоже даёт один из вариантов реализации квантовых вычислений.
Основной толчок к развитию квантовых вычислений дала опубликованная в 1994 году работа Питера Шора (Peter Shor), в которой описан первый «квантовый» алгоритм разложения чисел на простые множители — задача, которая имеет уже практическое значение (например, для криптографии). До этого квантовые вычисления были интересны скорее математикам или кибернетикам как абстрактное построение, о физическом его воплощении речь не шла. Тогда же в середине 1990-х были предложены ещё несколько квантовых алгоритмов для некоторых практических задач, например, поиска в неструктурированной базе данных и т. п. Начиная с 1995 года этой темой заинтересовались уже физики-экспериментаторы, искавшие возможности построения физических устройств-носителей нужных квантовых свойств. Тогда же была предложена первая физическая реализация кубитов на основе ионов в ловушке и построен простейший «компьютер» всего из двух кубитов, работающий как логический вентиль для реализации операции CNOT («управляемого отрицания»).
С того времени были предложены и другие физические реализации кубитов, многие из которых в данный момент активно исследуют на возможность объединения их в квантовые процессоры. Несколько крупных компаний (Google, IBM) в настоящее время работают над построением своих моделей квантовых компьютеров с сопоставимыми характеристиками (несколько десятков кубитов), используя сверхпроводящие материалы.
До последнего времени оставались сомнения, реализуемы ли подобные квантовые схемы вообще, и нет ли принципиальных препятствий, связанных с перенесением законов квантового мира в «обычный». Создание полноценного квантового процессора предполагает возможность масштабирования таких систем, то есть объединения множества кубитов в один узел, и реализации схем коррекции ошибок в этих системах, наподобие коррекции ошибок на обычных линиях передачи данных.
Следующий этап — это построение рабочего экземпляра квантового компьютера, не только способного решить полноценную вычислительную задачу, но и делающего это существенно быстрее, чем любой современный «классический» компьютер. Это называется достижением «квантового превосходства» (quantum supremacy). Месяц назад на сайте NASA промелькнула заметка о достижении квантового превосходства, которая скоро с сайта исчезла. Теперь же преодоление этого рубежа отмечено «официально», в виде публикации в журнале Nature. В этой работе квантовый процессор Sycamore был реализован на сверхпроводящих цепях, с помощью которых было построено 53 кубита. Это соответствует размерности гильбертова пространства состояний 253, или примерно 1016.
Для сравнения быстродействия компьютеров выбрана задача, связанная с выборкой выходного распределения случайных квантовых цепей. Это одна из стандартных задач, предлагаемых в последние годы специально как испытательный полигон для сравнения вычислительной мощности квантовых и обычных компьютеров. Квантовая цепь представляет собой просто набор последовательных логических вентилей. Известна алгоритмическая сложность решения этой задачи классическим компьютером: так, для любого компьютера время на обработку таких цепей растёт экспоненциально с длиной цепи (экспоненциальная алгоритмическая сложность). Это такой же класс сложности, как и для востребованной «задачи коммивояжёра» с выбором оптимального маршрута между несколькими точками при решении методами динамического программирования. В квантовом алгоритме вычисления класс сложности принципиально другой — полиномиальный, за счёт чего и может быть достигнута огромная разница в скорости.
Для тестирования алгоритма использовалось множество видов квантовых цепей разной длины, составленных из комбинаций имеющихся логических элементов. В среднем для выборки одного миллиона случайных экземпляров наиболее сложных из таких цепей квантовый процессор показал времена порядка 200 секунд. Расчётное время решения этой задачи с той же степенью достоверности на самом мощном современном суперкомпьютере составляет порядка 10 000 лет. Кроме «прогона» алгоритма на квантовом компьютере для создания полноценного отчета о работе в виде статьи, необходимо было также решить множество сопутствующих задач. На уровне аппаратной реализации — это создание надёжных логических вентилей, которые могут работать одновременно на прямоугольной решётке из кубитов, и настройка всех кубитов для работы как единого целого, с реализацией необходимой коррекции ошибок. Далее необходимо было протестировать все одно- и двухкубитовые логические вентили, количественно определив надёжность и устойчивость всей схемы процессора, а также провести множество других статистических проверок, позволяющих в конечном итоге подтвердить вывод о достижении квантового превосходства.
В настоящее время квантовые компьютеры ещё не умеют решать прикладные задачи даже по первым квантовым алгоритмам середины 1990-х годов, наподобие задачи Шора. Для этого им не хватает «мощности» — количества надёжно работающих вместе кубитов. Разработчикам также предстоит преодолеть и множество принципиальных технических трудностей.
Решаемые задачи пока что имеют основную цель — измерение быстродействия квантовых компьютеров в их сравнении с классическими. Значимость этой работы в том, что она является первой демонстрацией решения такой тестовой задачи, которую принципиально не может решить современный суперкомпьютер за мыслимое время. Очевидно, следующим таким же значимым прорывом будет реализация каких-либо из этих известных алгоритмов, для начала даже в режиме «классической проверяемости», а впоследствии — уже в режиме «квантового превосходства».
