С высоты квантового превосходства: Sycamore на 70-кубитовом процессоре превзошёл Frontier. Что дальше?

Ещё одна особенность квантового превосходства в том, что его доказательство имеет исключительно теоретическую выгоду. Существующим прототипам квантовых компьютеров «скармливают» задачи, очень далёкие от применения в реальности. Они не помогут в сложных научных исследованиях и не взломают криптографический шифр.

Впервые о достижении квантового превосходства заявил Google в 2019 году. Тогда компания выпустила публикацию, где рассказала, что их компьютер Sycamore с 53-кубитовым процессором выполнил сложный программный расчёт за 200 секунд. Мощный суперкомпьютер IBM Summit, максимальная скорость вычислений которого на тот момент составляла 200 петафлопс, по утверждению Google, справился бы с этой работой лишь за 10 тысяч лет.

Однако квантовый триумф длился недолго: компания IBM поставила под сомнение результаты эксперимента и произвела собственные расчёты. В итоге сотрудники инженерного гиганта указали на ошибку — Summit посчитает задачу за 2,5 дня и с большей гарантией корректности результатов, если ему увеличить ёмкость дискового хранилища. Значит, условия достижения квантового превосходства нарушены.

Недавно исследователи Google Quantum AI предприняли второй подход — на этот раз с обновлённым Sycamore на 70 кубит.

Они задались двумя вопросами:

• существуют ли границы, в которых экспоненциально большое гильбертово пространство может использоваться квантовым процессором с определённым уровнем шума;
• можно ли их экспериментально установить эти границы; иными словами — определить конфигурацию большой квантовой вычислительной системы, которая будет возвращать результат с определённой вероятностью.

В эксперименте учёные использовали метод случайной выборки цепей, или Random Circuit Sampling (RCS), — это способ, при котором цепи в массиве кубитов формируются случайным образом. Они отметили, что RCS — наиболее подходящий тест для квантовых процессоров ближайшего будущего, основную сложность для которых представляет квантовый шум. RCS снижает погрешность вычислений, поскольку оптимизирует квантовую корреляцию для быстрого распространения информации.

В рамках исследования учёные смогли увеличить «квантовый объем», или размер логической квантовой схемы, на 60% при той же точности. Чем больше объём, тем более сложные алгоритмы можно реализовать на квантовом компьютере. На получение результата задачи у Sycamore ушло 6,5 секунд. Лидер рейтинга суперкомпьютеров — экзафлопсный Frontier — выполнил бы работу смоделированного квантового алгоритма за 47,2 года. Разница в скорости действительно впечатляет.

На данный момент опровержений эксперимента нет, и до тех пор можно считать, что Google всё-таки доказал квантовое превосходство.

Учёные из Google Quantum AI отмечают, что, несмотря на достигнутый успех эксперимента, найти ему практическое применения в квантовых процессорах ближайшего будущего — отдельная непростая задача.

Тем не менее, исследование даёт представление о том, как квантовая динамика взаимодействует с шумом. Учёным удалось теоретически определить фазовые границы, в которых шумные квантовые устройства могут должным образом использовать свою вычислительную мощность. А значит, в будущих экспериментах исследователи смогут снизить и больше контролировать пагубное влияние квантового шума на вычисления.

Как бы то ни было, в квантовой науке как в «Формуле-1»: сложные инженерные решения, используемые в спорткарах, которые не встретишь за пределами гоночных трасс, в какой-то момент находят применение и в семейных автомобилях. Нужно лишь немного подождать.