Грядет квантовое превосходство: вот что вам следует знать

Кевин Хартнетт

uantum-компьютеры никогда полностью не заменят «классические», подобные устройству, на котором вы читаете эту статью. Они не будут запускать веб-браузеры, помогать с вашими налогами или транслировать последнее видео с Netflix.

Что они сделают — по крайней мере, на что давно надеялись — предложат принципиально иной способ выполнения определенных вычислений. Они смогут решать задачи, на выполнение которых быстрому классическому компьютеру потребовались бы миллиарды лет. Они позволят моделировать сложные квантовые системы, такие как биологические молекулы, или предлагать способ факторизации невероятно больших чисел, тем самым взламывая давние формы шифрования.

Порог, за которым квантовые компьютеры переходят от интересных исследовательских проектов к тому, что не может сделать ни один классический компьютер, называется «квантовым превосходством». Многие люди считают, что проект квантовых вычислений Google достигнет этого в конце этого года. В преддверии этого события мы создали это руководство для любителей квантовых вычислений. Он предоставляет информацию, которая вам понадобится, чтобы понять, что означает квантовое превосходство и действительно ли оно было достигнуто.

Что такое квантовое превосходство и почему оно важно?

Чтобы достичь квантового превосходства, квантовый компьютер должен был бы выполнять любые вычисления, которые для всех практических целей классический компьютер сделать не может.

В каком-то смысле эта веха является искусственной. Задача, которая будет использоваться для проверки квантового превосходства, надумана — скорее салонный трюк, чем полезный шаг (подробнее об этом чуть позже). По этой причине не все серьезные усилия по созданию квантового компьютера специально нацелены на квантовое превосходство. «Квантовое превосходство, мы вообще не используем

Но с другой стороны, квантовое превосходство стало бы переломным моментом в истории вычислений. На самом базовом уровне это могло бы привести к квантовым компьютерам, которые на самом деле полезны для решения определенных практических задач.

Такая точка зрения имеет историческое обоснование. В 1990-х первые квантовые алгоритмы решали проблемы, которые никого особо не волновали. Но ученые-компьютерщики, разработавшие их, узнали вещи, которые они могли применить при разработке последующих алгоритмов (таких как алгоритм Шора для разложения больших чисел на множители), имеющих огромные практические последствия.

«Я не думаю, что эти алгоритмы существовали бы, если бы сообщество сначала не работало над вопросом: «В чем, в принципе, хороши квантовые компьютеры?» не беспокоясь сразу о потребительской ценности», — сказал Билл Фефферман , специалист по квантовой информации из Чикагского университета.

Мир квантовых вычислений надеется, что сейчас этот процесс повторится. Создав квантовый компьютер, который превосходит классические компьютеры — даже в решении одной бесполезной задачи — исследователи могут узнать вещи, которые позволят им позже построить более широко полезный квантовый компьютер.

«До превосходства просто нулевой шанс, что квантовый компьютер сможет сделать что-то интересное», — сказал Фернандо Брандао , физик-теоретик из Калифорнийского технологического института и научный сотрудник Google. «Превосходство — необходимая веха».

Кроме того, квантовое превосходство стало бы землетрясением в области теоретической информатики. В течение десятилетий эта область работала в соответствии с предположением, называемым «расширенным тезисом Черча-Тьюринга», в котором говорится, что классический компьютер может эффективно выполнять любые вычисления, которые может эффективно выполнять любой другой тип компьютера. Квантовое превосходство станет первым экспериментальным нарушением этого принципа и откроет компьютерной науке совершенно новый мир. «Квантовое превосходство стало бы фундаментальным прорывом в том, как мы рассматриваем вычисления», — сказал Адам Буланд , специалист по квантовой информации из Калифорнийского университета в Беркли.

Как вы демонстрируете квантовое превосходство?

Решив на квантовом компьютере задачу, которую классический компьютер не может решить эффективно. Проблема может быть какой угодно, хотя обычно ожидается, что первая демонстрация квантового превосходства будет связана с конкретной проблемой, известной как «выборка случайной схемы».

Простым примером задачи случайной выборки является программа, имитирующая бросок честной кости. Такая программа работает правильно, если она правильно производит выборку из возможных результатов, производя каждое из шести чисел на кубике в одну шестую часть времени, когда вы запускаете программу повторно.

Вместо кубика эта проблема-кандидат на квантовое превосходство требует от компьютера правильной выборки из возможных выходов случайной квантовой схемы, что похоже на серию действий, которые можно выполнить с набором квантовых битов или кубитов. Давайте рассмотрим схему, которая воздействует на 50 кубитов. Когда кубиты проходят через цепь, состояния кубитов переплетаются или запутываются, что называется квантовой суперпозицией. В результате в конце цепи 50 кубитов находятся в суперпозиции 250 возможных состояний. Если вы измерите кубиты, море из 250 возможностей схлопнется в одну строку из 50 битов. Это похоже на бросание игральной кости, за исключением того, что вместо шести возможностей у вас есть 250 или 1 квадриллион, и не все возможности равновероятны.

Квантовые компьютеры, которые могут использовать чисто квантовые особенности, такие как суперпозиции и запутанность, должны быть в состоянии эффективно производить серию выборок из этой случайной схемы, которые следуют правильному распределению. Однако для классических компьютеров не существует известного быстрого алгоритма для создания этих выборок, поэтому по мере увеличения диапазона возможных выборок классические компьютеры быстро перегружаются задачей.

Что за задержка?

Пока квантовые схемы остаются маленькими, классические компьютеры могут не отставать. Таким образом, чтобы продемонстрировать квантовое превосходство с помощью задачи случайной выборки схем, инженеры должны иметь возможность создавать квантовые схемы по крайней мере определенного минимального размера — и пока они не могут.

Размер схемы определяется количеством кубитов, с которыми вы начинаете, в сочетании с тем, сколько раз вы манипулируете этими кубитами. Манипуляции в квантовом компьютере выполняются с помощью «ворот», как и в классическом компьютере. Различные типы вентилей преобразуют кубиты по-разному: некоторые изменяют значение одного кубита, а другие по-разному объединяют два кубита. Если вы пропустите свои кубиты через 10 вентилей, вы скажете, что ваша схема имеет «глубину» 10.

«Это не похоже на запуск ракеты или ядерный взрыв, когда вы просто смотрите и сразу понимаете, удалось ли это», — говорит Скотт Ааронсон.

Ученые-компьютерщики считают, что для достижения квантового превосходства квантовому компьютеру потребуется решить проблему случайной выборки схемы для схемы примерно от 70 до 100 кубитов с глубиной около 10. Если схема намного меньше, классический компьютер вероятно, все еще удастся смоделировать его — и классические методы моделирования все время совершенствуются .

Тем не менее проблема, с которой сейчас сталкиваются квантовые инженеры, заключается в том, что по мере увеличения количества кубитов и вентилей увеличивается и частота ошибок. И если процент ошибок слишком высок, квантовые компьютеры теряют свое преимущество перед классическими.

В квантовой схеме есть много источников ошибок. Наиболее важной из них является ошибка, которая накапливается в вычислениях каждый раз, когда схема выполняет операцию вентиля.

На данный момент лучшие двухкубитные квантовые вентили имеют частоту ошибок около 0,5%, а это означает, что на каждые 200 операций приходится примерно одна ошибка. Это астрономически выше, чем частота ошибок в стандартной классической схеме, где на каждые 1017 операций приходится примерно одна ошибка. Чтобы продемонстрировать квантовое превосходство, инженерам придется снизить частоту ошибок для двухкубитных вентилей примерно до 0,1%.

Как мы узнаем наверняка, что квантовое превосходство было продемонстрировано?

Некоторые вехи недвусмысленны. Квантовое превосходство не входит в их число. «Это не похоже на запуск ракеты или ядерный взрыв, когда вы просто смотрите и сразу понимаете, удалось ли это», — сказал Скотт Ааронсон , ученый-компьютерщик из Техасского университета в Остине.

Чтобы подтвердить квантовое превосходство, вы должны показать две вещи: что квантовый компьютер выполнял вычисления быстро, и что классический компьютер не мог эффективно выполнять те же вычисления.

Это вторая часть, самая сложная. Классические компьютеры часто оказываются лучше в решении определенных видов задач, чем ожидали ученые-компьютерщики. Пока вы не доказали, что классический компьютер не может делать что-то эффективно, всегда есть шанс, что существует лучший, более эффективный классический алгоритм. Доказательство того, что такого алгоритма не существует, вероятно, больше, чем нужно большинству людей, чтобы поверить в заявление о квантовом превосходстве, но такое утверждение может занять некоторое время, прежде чем оно будет принято.

Насколько кто-либо близок к его достижению?

По многим оценкам, Google стучится в дверь квантового превосходства и может продемонстрировать его до конца года . (Конечно, то же самое было сказано в 2017 году .) Но у ряда других групп есть потенциал для достижения квантового превосходства в ближайшее время, в том числе у IBM , IonQ , Rigetti и Гарвардского университета .

Эти группы используют несколько различных подходов к созданию квантового компьютера. Google, IBM и Rigetti выполняют квантовые вычисления, используя сверхпроводящие схемы. IonQ использует захваченные ионы. Гарвардская инициатива, возглавляемая Михаилом Лукиным , использует атомы рубидия . Подход Microsoft, который включает в себя « топологические кубиты », кажется более дальновидным.

Каждый подход имеет свои плюсы и минусы.

Преимущество сверхпроводящих квантовых схем состоит в том, что они сделаны из твердотельного материала. Они могут быть построены с использованием существующих технологий изготовления, и они выполняют очень быстрые операции с воротами. Кроме того, кубиты не перемещаются, что может быть проблемой для других технологий. Но они также должны быть охлаждены до чрезвычайно низких температур, и каждый кубит в сверхпроводящем чипе должен быть индивидуально откалиброван, что затрудняет масштабирование технологии до тысяч кубитов (или более), которые потребуются в действительно полезной работе. квантовый компьютер.

Ионные ловушки имеют контрастный набор сильных и слабых сторон. Отдельные ионы идентичны, что помогает при изготовлении, а ионные ловушки дают вам больше времени для выполнения вычислений, прежде чем кубиты будут перегружены шумом из окружающей среды. Но ворота, используемые для работы с ионами, очень медленные (в тысячи раз медленнее, чем сверхпроводящие ворота), и отдельные ионы могут перемещаться, когда вы этого не хотите.

На данный момент сверхпроводящие квантовые схемы развиваются быстрее всего. Но существуют серьезные инженерные барьеры, с которыми сталкиваются все различные подходы. Прежде чем можно будет построить квантовые компьютеры, о которых люди мечтают, потребуется новый крупный технологический прорыв. «Я слышал, что для квантовых вычислений может потребоваться изобретение, аналогичное транзистору, — прорывная технология, которая работает почти безупречно и легко масштабируется», — сказал Буланд. «Хотя недавний экспериментальный прогресс был впечатляющим, я склоняюсь к тому, что это еще не найдено».

Скажем, квантовое превосходство было продемонстрировано. Что теперь?

Если квантовый компьютер добьется превосходства в такой надуманной задаче, как случайная выборка схемы, следующий очевидный вопрос: хорошо, когда же он сделает что-то полезное?

Веху полезности иногда называют квантовым преимуществом. «Квантовое преимущество — это идея сказать: для реального варианта использования — например, финансовых услуг, ИИ, химии — когда вы сможете увидеть и как вы сможете увидеть, что квантовый компьютер делает что-то значительно лучше, чем какой-нибудь известный классический эталон?» сказал Сутор из IBM, у которой есть ряд корпоративных клиентов, таких как JPMorgan Chase и Mercedes-Benz, которые начали изучать возможности применения квантовых чипов IBM.

Второй вехой станет создание отказоустойчивых квантовых компьютеров. Эти компьютеры смогут исправлять ошибки в вычислениях в режиме реального времени, что, в принципе, позволит проводить безошибочные квантовые вычисления. Но ведущее предложение по созданию отказоустойчивых квантовых компьютеров, известное как «поверхностный код», требует огромных накладных расходов в виде тысяч кубитов, исправляющих ошибки, для каждого «логического» кубита, который компьютер использует для фактического выполнения вычислений. Это ставит отказоустойчивость далеко за пределы современного состояния квантовых вычислений. Остается открытым вопрос, должны ли квантовые компьютеры быть отказоустойчивыми, прежде чем они действительно смогут делать что-то полезное. «Есть много идей, — сказал Брандао, — но ни в чем нельзя быть уверенным».

Исправление от 18 июля 2019 г.: группа Михаила Лукина в Гарварде создает квантовый компьютер из атомов рубидия, управляемых лазерным излучением, а не фотонами, как первоначально говорилось в статье.

источник: