Max Home IndustryВы думаете, что легко доказать, что квантовый компьютер лучше классического. Группа квантовых компьютеров Google думает, что она сделала именно это, но так ли это?
Процессор Sycamore. (Эрик Лусеро, научный сотрудник и ведущий специалист по квантовому оборудованию)
Это еще одна из тех ситуаций типа «этого не может случиться в книге». Квантовое превосходство — это плохо названная концепция, которая связана с доказательством того, что квантовый компьютер действительно может вычислять то, чего не может классический компьютер.
Если вы не следили за развитием квантовых вычислений, вы можете быть удивлены тем, что это открытый вопрос — безусловно, квантовые компьютеры лучше. На практике, однако, до тех пор, пока мы действительно не построим квантовый компьютер, который намного быстрее классического компьютера, мы не знаем, является ли это преимущество чисто теоретическим.
Самый известный квантовый алгоритм — это метод факторизации Шора, который, если его удастся реализовать, будет факторизовать большие числа быстрее, чем это мог бы сделать любой классический компьютер. Это доказательство того, что квантовый компьютер лучше — или нет? Это только доказательство квантового превосходства, если нет физических законов, которые мешают нам построить квантовый компьютер, или если действительно нет лучших классических алгоритмов для факторизации.
Месяц назад просочившаяся статья из Google Quantum Computer Group утверждала, что вычисление, которое заняло бы у лучшего суперкомпьютера 10 000 лет, заняло всего 200 секунд на его 53-битном квантовом компьютере.
Поскольку газета просочилась и вскоре после этого была отозвана, мы решили не сообщать об этом, пока она не будет опубликована. Статья появилась в журнале Nature, и мы можем положиться на ее результаты.
Вот и все, дело закрыто.
Не совсем. Проблема в том, что использованный алгоритм не является чем-то полезным или естественным для классического компьютера. Он был разработан, чтобы позволить несовершенному квантовому компьютеру делать что-то, действительно что-то, что было вне досягаемости классического компьютера. Алгоритм состоит из выбора случайной последовательности вентилей — по сути, операций над кубитами. Результатом работы алгоритма является случайная битовая строка с некоторым распределением вероятностей. Задача состоит в том, чтобы найти распределение вероятностей, а для квантового компьютера это просто вопрос многократного запуска программы и просмотра результата. Для классического компьютера вычисления намного сложнее и экспоненциально зависят как от числа кубитов, так и от числа вентилей.
Процесс демонстрации квантового превосходства
Начиная с малого, команда Google запускала простые схемы с небольшим количеством кубитов, которые были доступны классическому компьютеру, и проверяла, что они получают правильные результаты. Затем они перешли к более крупным и сложным задачам, оставив позади классический компьютер.
Различные уважаемые эксперты одобрили это заявление, в то время как другие отклонили его по ряду теоретических оснований, при этом большинство использованных аргументов были слишком расплывчатыми, чтобы судить по-настоящему. Команда квантовых вычислений в IBM выдвинула вполне реальное возражение. Он предложил улучшенный классический алгоритм, который использует большой объем дешевой памяти, предоставляемой дисками. Его алгоритм выполняет работу за дни, а не за секунды, но, приложив больше усилий, его можно было бы еще оптимизировать. Квантовый компьютер все еще лучше, чем улучшенный классический, но тогда он моделирует квантовое свойство, и было бы неразумно не иметь некоторого преимущества в скорости.
Это поднимает весь вопрос о том, что такое квантовые вычисления? Это просто квантовый аналоговый компьютер? В этом случае преимущества квантовых проблем очевидны, но они не обязательно переходят к решению неквантовых проблем. Когда квантовый компьютер факторизует очень большие числа, на разложение которых классическому компьютеру потребовались бы десятилетия, у нас будет доказательство. Причина в том, что факторинг не является квантовым процессом, и у нас будет доказательство того, что превосходство выходит за рамки квантового режима.
Художественное изображение процессора Sycamore, установленного в криостате. (Форест Стернс, квантовый художник Google AI)