Научная статья о квантовом превосходстве Google наконец-то опубликована

Научный журнал Nature опубликовал статью разработчиков квантового процессора с описанием их устройства, исчезновение которой с сайта NASA месяц назад заинтриговала весь мир. Специалисты утверждают, что их квантовый процессор впервые справился с задачей, которая не под силу ни одному из современных компьютеров, и таким образом реализовал "квантовое превосходство".

Предыстория

Газета Financial Times 20 сентября этого года опубликовала заметку с заголовком "Google утверждает, что достиг квантового превосходства". Журналисты ссылались на доклад с сайта NASA. В этом документе Google сообщил о том, что его научные сотрудники создали процессор, который может за считанные минуты совершить расчет, на который самому мощному существующему в мире компьютеру, "Саммиту" от американской компании IBM, понадобилось бы около 10 тыс. лет.

Речь шла не об обычном процессоре, а об основе для квантового компьютера. В отличие от привычных вычислительных машин, работа которых основана на минимально возможной единице информации – бите, квантовые компьютеры имеют дело с кубитами.

У бита одновременно может быть только одно значение из двух – либо 1, либо 0. Кубит тоже может обозначать и 1, и 0, но при этом он может еще и одновременно находиться в обоих значениях, и в 1, и в 0. Это свойство кубитов позволяет квантовым компьютерам работать гораздо эффективнее обычных.

Сегодня существует два подхода к разработке подобных устройств - классический и адиабатический. В первом случае ученые пытаются создать универсальный квантовый компьютер, похожий по принципам работы на обычные цифровые вычислительные машины. Адиабатический компьютер проще создать, но он ближе по принципам своей работы к аналоговым компьютерам начала XX века, у которых есть масса ограничений в работе. До начала XXI века само существование квантовых компьютеров было лишь мечтой теоретиков.

Первыми ограниченный вариант квантового компьютера, в котором было всего 7 кубитов, создали специалисты IBM в 2001 году. Самыми мощными образцами последних лет стали 49-кубитный компьютер от Intel, 50-кубитная машина от IBM, 51-кубитный квантовый симулятор, созданный группой физиков под руководством Михаила Лукина, основателя Российского квантового центра.

Новое квантовое устройство, которое создала научная группа под руководством профессора Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джона Мартиниса, по словам журналистов, основано на 53 кубитах. То есть сейчас это самый мощный квантовый компьютер из всех известных. Впрочем, авторы заметки рассказали, что устройство может совершать одновременно лишь одну операцию. То есть прежде чем квантовые компьютеры смогут решать практические задачи, пройдут еще годы.

К удивлению журналистов, вскоре после того, как они ознакомились с докладом Google, он пропал с сайта NASA. Месяц спустя на сайте одного из главных конкурентов Google в создании квантовых компьютеров, IBM появилась критическая заметка о "квантовом превосходстве" компании.

В ней сотрудники IBM уверяли, что задача, о которой шла речь в докладе Google, займет у современных вычислителей не 10 тысяч лет, а в худшем случае 2,5 дня. Они заключали, что хотя результат, которого достигли специалисты компании, и интересен, но не настолько сложен для классического компьютера.

"Квантовое превосходство" Google

Сегодня, спустя больше месяца после первой публикации, научный журнал Nature опубликовал статью Джона Мартиниса с коллегами. Они рассказали, что собрали процессор (его назвали Sycamore) из 54 кубитов, но в работе одного из них произошли неполадки, поэтому в итоге устройство работало на 53 кубитах. По словам разработчиков, высокую точность работы компьютера обеспечили специально разработанные алгоритмы, которые исправляли до 99,99% ошибок.

Все кубиты были соединены в своеобразную прямоугольную решетку. Иными словами, каждая ячейка квантовой памяти в нем была напрямую соединена с соседними четырьмя кубитами. Ученые могли гибко менять то, насколько сильно они взаимодействовали друг с другом.

Ученые протестировали свою разработку с помощью специально разработанной абстрактной задачи, которая связана с перебором случайных последовательностей чисел. По словам авторов работы, Sycamore проделал эту задачу миллион раз, на что ему понадобилось всего 3 минуты 20 секунд. Самому мощному на сегодня обычному компьютеру - "Саммиту" от IBM – на это понадобилось бы около 10 тыс. лет, уверены разработчики. Впрочем, реальное сравнение они не проводили.

Мартинис с коллегами в статье утверждают, что их эксперимент представляет собой первое вычисление, которое может выполнить только квантовый компьютер. "Таким образом, квантовые процессоры достигли режима квантового превосходства, - пишут они. - Мы ожидаем, что вычислительная мощность подобных устройств будет расти и дальше с удвоенной экспоненциальной скоростью".

"Квантовые процессоры, построенные на базе сверхпроводящих кубитов, теперь могут проводить вычисления с размерностью в 253, что выходит далеко за рамки возможного для самых быстрых классических суперкомпьютеров. Мы достигли квантового превосходства и ожидаем, что вычислительные способности таких машин будут расти экспоненциально, подчиняясь некому квантовому аналогу закона Мура", - заключили ученые.

Источник