В недавней статье из лаборатории квантовых вычислений Google объявлено, что компания достигла квантового превосходства. Об этом только и разговоров, но что все это значит?

В 2012 году я предложил термин «квантовое превосходство» для точки, когда квантовые компьютеры смогут делать то, что не могут компьютеры классические — причем вне зависимости от утилитарности задач. Этим новым термином я хотел подчеркнуть, в какое же исторически важное время мы живем. Это честь — жить в эру развития информационных технологий, основанных на принципах квантовой физики.

Термин «квантовое превосходство» — да и само явление тоже — вызвал массу противоречий. Причем сразу по двум причинам. Во-первых, слово «превосходство» нехорошо звучит с политической точки зрения — навевает отвратительные ассоциации с «превосходством белых». Во-вторых, этот термин лишь усугубляет общую шумиху вокруг квантовых технологий, а ее и без того чересчур много. Второе я еще предвидел, а вот первое упустил напрочь. Как бы то ни было, термин прижился, а теперь за него с воодушевлением взялась квантовая команда Google.

Я вертел в голове еще пару вариантов, но все их забраковал, решив, что «квантовое превосходство» отражает ситуацию наилучшим образом. Раздумывал я и над «квантовым преимуществом» — и этот термин тоже вошел в обиход. Но на мой вкус, «превосходство» все же звучит точнее и убедительнее. На бегах говорят о преимуществе даже в том случае, когда одна лошадь опережает другую меньше чем на корпус. Скорость же квантового компьютера для определенных задач превышает классический в несколько раз. Во всяком случае, теоретически.

Недавняя статья Google наглядно это иллюстрирует. Используя устройство с 53 кубитами (квантовыми аналогами битов классического компьютера), они смогли за несколько минут выполнить квантовые вычисления, на которые у мощнейших на сегодняшний день суперкомпьютеров потребовались бы тысячи лет. Если это правда, то это выдающееся достижение в экспериментальной физике и свидетельство невиданного развития в квантовом «железе». Я сердечно поздравляю всех участников эксперимента.

Правда, здесь есть подвох. Команда Google признает, что задачу, которую их машина решила с поразительной скоростью, тщательно подбирали для демонстрации превосходства квантового компьютера. Никакого практического смысла в ее решении нет. Если вкратце, то квантовый компьютер выполнил произвольно выбранную последовательность инструкций, после чего все кубиты измерили, получив на выходе битовую строку. Это квантовое вычисление очень небольшой структуры. Да, классическому компьютеру такая задача исключительно трудна, но и ответ не слишком содержателен.

И все же результат выдающийся. Проверив, что выходные данные их квантового компьютера соответствуют выходным данным классического суперкомпьютера (ну, если операция не занимает тысячи лет, конечно), команда подтвердила, что они понимают свое устройство и что оно работает как надо. Теперь, когда мы выяснили, что «железо» работает, его можно загрузить более полезными заданиями.

Почему так важно проверить производительность оборудования? Потому, что точно управлять квантовым компьютером очень сложно. В некотором смысле простое рассмотрение квантовой системы неизбежно ее нарушает — знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга в действии. Поэтому если мы хотим использовать такую систему для хранения и надежной обработки информации, нам необходимо сохранить ее практически идеально изолированной от внешнего мира. В то же время нам надо, чтобы кубиты друг с другом взаимодействовали — мы же хотим обрабатывать данные. Кроме того, мы должны контролировать систему извне и конечном счете измерять кубиты, чтобы узнать результат наших вычислений. Создать квантовую систему, которая бы удовлетворяла всем этим критериям, чрезвычайно сложно. Чтобы добиться нынешних результатов, потребовался многолетний прогресс в области материалов, производства, разработки и контроля.

Достижение Google — веха в разработке прикладных квантовых компьютеров. Я подумал, что грядущей эре нужно отдельное название — и придумал «шумный квант промежуточного уровня» или NISQ. Рифмуется со словом «риск». «Промежуточный уровень» — это про размер квантовых компьютеров, которые становятся все более доступными. Такими темпами они скоро смогут выполнять задачи, неподъемные для сегодняшних суперкомпьютеров. «Шумный» подчеркивает несовершенство контроля и вытекающие отсюда сбои и накапливающиеся со временем ошибки. Длинного расчета мы выполнить пока не можем — правильный ответ нам вряд ли светит.

Команда Google доказала, что построить достаточно большую и точную квантовую машину для решения доселе невыполнимых заданий можно. Будем считать это началом новой эры — эры шумных квантов промежуточного уровня или NISQ.

Что будет дальше? Разумеется, Google и другие производители оборудования рассчитывают найти своим квантовым устройствам практическое применение. Более мощный квантовый компьютер поможет ученым в разработке новых материалов и химических соединений или позволит усовершенствовать инструменты для машинного обучения, однако шумный квантовый компьютер с несколькими сотнями кубитов пользы принесет немного. Тем не менее, у нас есть идеи насчет практического применения компьютеров NISQ, которые мы собираемся опробовать. Этим мы добьемся более совершенных методов оптимизации и более точных физических симуляций — хотя, по правде сказать, не вполне уверены в успехе. Но все равно будет интересно поиграть с технологией NISQ, чтобы понять, на что она способна. Я рассчитываю, что квантовые компьютеры рано или поздно преобразуют наше общество — пусть это и дело будущего.

В статье 2012 года, где я ввел термин «квантовое превосходство», я рассуждал: «Каково это — управлять крупномасштабными квантовыми системами? Просто „очень сложно" или „до нелепого сложно"? Если первое, то за пару десятилетий тяжелой работы мы вполне можем преуспеть. Если второе, то это займет несколько веков, да и то не факт, что получится». Недавние достижения команды Google наводят нас на мысль, что мы таки имеем дело с первым случаем — всего лишь «очень сложно». А коли так, то изобилие квантовых технологий появится уже в ближайшие десятилетия.