Что такое квантовое превосходство и как его достичь?

Квантовое превосходство звучит скорее как что-то из буклета очередного мистического учения, однако на самом деле означает абстрактный порог, пройдя который квантовые компьютеры будут способны решать задачи, недоступные ни одному из существующих суперкомпьютеров, работающих на классических принципах.

Этот термин ввёл в 2012 году физик-теоретик Джон Прескилл, и он быстро был подхвачен и популяризирован учёными и журналистами. Ожидается, что квантовое превосходство будет продемонстрировано уже в ближайшие даже не годы, а месяцы.

Но есть ли этого термина вообще какой-то смысл? Если немного задуматься на эту тему, то сразу возникает много проблем. Например, как именно измерить, насколько квантовый компьютер быстрее классического? Это измерение должно быть проведено для какой-то конкретной задачи? Если да, то для какой? И как проверить, что квантовый компьютер с ней справился, если правильный ответ неизвестен? (А если известен, то в чём тут превосходство?)

Конечно, в отличие от восторженных комментаторов и журналистов инженеры и учёные, работающие над созданием квантовых компьютеров, к таким вопросам относятся флегматично. Для них порог квантового превосходства всего лишь символическая веха: не более чем концептуальная граница, разделяющая два метода вычислений. Ну и, конечно, яркий образ, позволяющий будоражить общественные умы и подороже продавать — во всех смыслах этого слова — свои творения.

Магическое число

Как и классические, квантовые компьютеры оперируют битами информации, но используют для этого законы квантовой физики, которым подчиняется наш мир на микроуровне. В этом квантовом мире информация может быть закодированы в квантовые биты — кубиты. Физически они представляют собой объекты, которые могут находиться в двух квантовых состояниях: одно из них условно обозначают «0», а другое — «1». Отличием квантовых битов от классических является возможность находиться в состояниях квантовой суперпозиции «0» и «1». В некотором смысле, квантовый объект находится одновременно и в том, и в другом состоянии. Именно это и должно позволить квантовым вычислениям стать намного эффективнее классических.

Однако, поддерживать состояние квантовой суперпозиции непросто. Внешние шумы стремятся разрушить то, что называется когерентным состоянием, и кубит довольно быстро самопроизвольно оказывается в одном из состояний «0» или «1» и теряет свои замечательные свойства. Дополнительную сложность создаёт то, что компьютер должен состоять из многих кубитов, и не только каждый из них должен находиться в состоянии квантовой суперпозиции, но и между ними должна существовать квантовая корреляция, известная как квантовая сцепленность или запутанность.

По этой причине до недавнего времени существовавшие квантовые компьютеры состояли из очень небольшого количества квантово связанных кубит. IBM, например, в этом году открыла онлайн-доступ к компьютеру, состоящему из 5 кубит, а затем — из 16 кубит. Правда, меньше месяца назад компания добавила в «облако» ещё и 20-кубитную машину.

2017 год вообще стал в этом смысле прорывным. Та же IBM заявила, что у неё имеется прототип 50-кубитного компьютера. Google обещал к концу года создать 49-кубитный процессор. Группа Михаила Лукина из Гарварда на конференции в июле заявила о создании 51-кубитного компьютера, а буквально на этой неделе его статья появилась в Nature вместе со статьёй группы Кристофера Монро в Университете Мэриленда, в которой они продемонстрировали работу 53-кубитной машины.

Криостат для 50-кубитного компьютера IBM

Цифра 50, вокруг которой крутятся эти результаты, неслучайна. Именно такое количество кубит необходимо по оценкам, чтобы продемонстрировать квантовое превосходство.

Но как всё-таки понять, что квантовый компьютер вычисляет что-то, что не может вычислить классический? В конце концов, где гарантии, что мы просто не знаем хорошего классического алгоритма, или не умеем реализовывать его достаточно хорошо? Теоретик такой вопрос переформулирует следующим образом. Существуют ли задачи, для которых можно математически строго доказать, что квантовые компьютеры получат результат быстрее классических?

И такие задачи существуют. Одна из них — задача семплирования, которая заключается в том, чтобы перевести поток случайно разбросанных битов в поток битов с чётко определёнными свойствами. В сентябре вышла статья учёных из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Google, в которой утверждается, что эта задача решается квантовыми компьютерами с 50 кубитами лучше, чем любым доступным суперкомпьютером.

Другое соображение заключается в том, что для хранения состояния 46 кубит на классическом компьютере требуется почти петабайт памяти — столько нет ни на одной современной машине. По этим причинам 50 кубит стали своеобразным «Святым граалем», к которому все стремятся.

Надо копать глубже

Но на самом деле всё, конечно же, сложнее, и не может быть описано одним числом. Эксперты в квантовых вычислениях не устают повторять, что недостаточно просто создать 50-кубитную машину. Надо ещё обеспечить и так называемую глубину — количество логических операций (специалисты называют их гейтами), которые могут быть выполнены на компьютере, пока сохраняется квантовая когерентность кубитов и связей между ними. Когда когерентность снижается ниже определённого уровня, нарастающие шумы и возникающие из-за них ошибки делают вычисления невозможными.

Сила квантовой сцепленности, кстати, тоже играет значительную роль, так же, как и количество операций, которые можно на созданном компьютере запустить параллельно. Для характеристики всей совокупности этих факторов в IBM даже ввели специальный термин — квантовый объём.

Так что порог квантового превосходства зависит не только от количества кубит, но и от алгоритмической сложности задачи — то есть её глубины.

Всё это делает понятие квантового превосходства весьма условным. Это не какой-то магический рубеж, перешагнув который можно говорить о победе квантовых компьютеров, а просто красивый маркетинговый слоган, способный привлечь внимание.

Поэтому не стоит испытывать иллюзий, видя новости о создании 50-кубитных компьютеров. Предстоит немалый путь и много научной и инженерной работы, прежде чем они начнут широко внедряться в нашу повседневность. Тем не менее квантовое превосходство — оно уже здесь, на пороге наших домов, и вскоре изменит мир.