Google достиг квантового превосходства… но на самом деле нет — Naked Science
19 минут
Александр Березин
8

Google достиг квантового превосходства… но на самом деле нет

3.9

Квантовые компьютеры в теории могут достичь революции в вычислениях. Но в обозримом будущем этого не случится, а заявления Google о достижении «квантового превосходства» — хайп ради хайпа.

Квантовый компьютер: в криостате находится охлажденный процессор «Sycamore» на 54 кубита / ©Forest Stearns, Google AI Quantum Artist in Residence
Квантовый компьютер: в криостате находится охлажденный процессор «Sycamore» на 54 кубита / ©Forest Stearns, Google AI Quantum Artist in Residence

Квантовые компьютеры смогут выполнять задачи, для которых неквантовым компьютерам требуются тысячи лет. Однако пока технические возможности новинок ограничены. Попытки показать их преимущества перед классическими компьютерами — так называемое квантовое превосходство — не выдерживают серьезной критики. Попробуем понять почему.

Что дает квантовый компьютер

Квантовый компьютер при работе опирается не на биты, как обычный, а на кубиты (квантовые биты). Бит имеет значения 0 или 1, а вот кубит может находиться в состояниях | 0 ⟩ и | 1 ⟩, а также в их суперпозиции. То есть с определенной вероятностью его значение может одновременно быть или аналогом нуля, или аналогом единицы. Иными словами, вместо обычного состояния нуль или один его значение описывается непрерывной переменной, так называемой квантовой амплитудой. Обычный компьютер с десятком рабочих битов может иметь 2 в десятой степени четких простых состояний (порядка тысячи). Квантовый будет иметь столько же непрерывных переменных: то есть его «содержимое» будет радикально сложнее.

Из этого видно, что даже базовый кубит намного сложнее обычного бита. Настолько же сложнее взаимодействие квантовых битов относительно обычных. Если один бит может с некоторой вероятностью иметь сразу два разных значения, в одной операции с ним можно обрабатывать оба этих возможных состояния одновременно. Группы кубитов за счет этого должны достигать огромного вычислительного превосходства над группами обычных битов. Разумеется, превосходство может быть достигнуто лишь при использовании специальных алгоритмов, способных учесть новые возможности квантовых компьютеров.

Наибольший эффект квантовые вычисления дадут в области нейронных сетей, которые сегодня связывают с возможностью создания искусственного интеллекта, сопоставимого с естественным. Квантовый алгоритм Шора позволяет быстро разложить на множители большие числа. Значит, им можно «подломить» большинство существующих мощных криптографических систем.

Так можно взломать и кредитную карту, и даже побороться за чужой кошелек с криптовалютой. Возможных применений квантовых вычислений существенно больше, но искусственный интеллект и взлом криптографии на сегодня наиболее понятны теоретически.

Почему они еще не захватили весь мир

Несмотря на все это, достаточно результативных квантовых вычислительных машин все еще нет. Подчеркнем: на существующем техническом уровне вообще неизвестно, когда они смогут появиться. Более того, среди ученых, включая российских, есть те, кто считают эту задачу для действительно больших квантовых компьютеров принципиально нерешаемой.

Дело в том, что самый маленький из практически полезных квантовых компьютеров должен иметь от тысячи до ста тысяч кубитов. Это значит, что в нем будет минимум 2 в тысячной степени непрерывных переменных — или примерно 10 в трехсотой степени. Количество всех частиц во Вселенной меньше 10 в сотой степени. То есть число непрерывных состояний в квантовом компьютере полезной мощности будет таким, что его работу станет практически невозможно контролировать и сделать достаточно безошибочной.

Количество непрерывных состояний в квантовом компьютере полезной мощности будет таким, что его работу станет практически невозможно контролировать и сделать достаточно безошибочной.

Если тысяча битов обычного компьютера может из-за неправильного срабатывания одного бита (транзистора) содержать небольшое количество ошибок, то это легко исправляется дублированием: процессор работает «в обход» неправильно сработавшего бита. Однако постоянно пускать вычисления в обход «неправильной» непрерывной переменной нельзя. Переменная много сложнее простого нуля или единицы. Это и сила квантового компьютера, и его слабость. Контролировать возможные ошибки в нем из-за этой самой сложности значения кубита дьявольски сложно.

Чтобы решить проблему, предложен вариант коррекции ошибок. Если вероятность ошибки при переключении кубита не выше некоторой величины, то можно разбить один логический кубит на несколько физических и попробовать исправлять ошибки «поступенчато», поскольку, разбив задачу на этапы, это сделать проще. На вид это хорошее решение. Однако в итоге полезный квантовый компьютер будет начинаться не от тысячи, а от миллиона кубитов. То есть задача контроля над его ошибками опять резко усложнится.

Из-за всего этого Комиссия по борьбе с лженаукой РАН давно опубликовала материал, утверждающий: большие и оттого практически полезные квантовые компьютеры не будут разработаны ни в каком обозримом будущем. То есть да, теоретически они возможны (как и, например, перемещение быстрее скорости света), но практически мыслимых путей к этому, по сути, нет.

Чем гордится Google

Исследователи американского интернет-гиганта опубликовали в Nature статью, в которой, по их словам, показали — впервые в мировой истории — «квантовое превосходство». То есть представили такой квантовый компьютер, который может решить задачу, практически нерешаемую для обычных суперкомпьютеров.

Процессор «Sycamore» с 54 кубитами / ©Erik Lucero, Research Scientist and Lead Production Quantum Hardware
Процессор «Sycamore» с 54 кубитами / ©Erik Lucero, Research Scientist and Lead Production Quantum Hardware

Для этого они использовали квантовый процессор Sycamore сразу с 54 кубитами, из которых 53 можно использовать одновременно. Само создание этого процессора — выдающееся достижение. Общее число его непрерывных переменных — 9 007 199 254 740 992 (2 в степени 53). Это девять квадриллионов (миллионов миллиардов). Контроль над ошибками вычислений в таком процессоре невероятно сложен. То, что Google вообще смогла сделать этот процессор, — огромное достижение, на переднем крае возможного для человечества сегодня.

Но, как мы отметили выше, практически полезный квантовый компьютер начинается от тысячи кубитов без корректировки ошибок и от миллиона кубитов — с ней. Sycamore, таким образом, практически полезный квантовый компьютер дать не может даже близко.

Как же Google продемонстрировала с его помощью «квантовое превосходство» над классическими компьютерами? Просто: исследователи компании специально подобрали ему задачу, в которой квантовый компьютер должен справляться куда лучше обычного. В компьютер вводилась последовательность команд, после их выполнения считывались строки из 53 чисел, каждое из которых соответствовало состоянию кубитов процессора. Эта задача выполнялась множество раз — по тому же принципу, как в программе-бенчмарке у обычного компьютера.

Исследователи компании специально подобрали ему задачу, в которой квантовый компьютер должен справляться куда лучше обычного.

После фиксации результатов их сравнили со статистикой, ожидаемой для выполнения такого теста. Поскольку в «бенчмарке» выполнялись известные последовательности команд, статистику результатов можно предсказать с довольно высокой точностью.

Сам тест, описанный выше, — чистый «бенчмарк ради бенчмарка». Никакого мыслимого практического приложения у него нет. Но работавшие для Google авторы соответствующей статьи в Nature с помощью этого бенчмарка смогли утверждать следующее:

«Наш процессор Sycamore за 200 секунд [выполнил тестовую задачу]… Наши бенчмарки указывают, что аналогичная задача для классического cуперкомпьютера заняла бы примерно 10 тысяч лет. Этот резкий скачок в скорости, <…> экспериментальная реализация квантового превосходства».

Красным показана область квантового превосходства: там, где повтор вычислений квантового компьютера потребует от обычного более 1-10 тысяч лет / ©Frank Arute et al.
Красным показана область квантового превосходства: там, где повтор вычислений квантового компьютера потребует от обычного более 1-10 тысяч лет / ©Frank Arute et al.

Конечно, если кто-то делает одну задачу за 200 секунд, а другой за десять тысяч — превосходство налицо. В рассматриваемом случае — «квантовое превосходство». Ведь его определяют как способность квантового компьютера сделать то, что обычный сделать практически не способен. Современные суперкомпьютеры сломаются раньше, чем через десять тысяч лет непрерывной работы, то есть вообще не могут выполнить задачу Sycamore.

Почему Google гордится этим зря

На вид все просто. Люди, работающие для Google, построили компьютер без практического применения и подобрали для него задачу, которую квантовый компьютер — даже бесполезный в практических вычислениях — все равно должен выполнять лучше обычного суперкомпьютера. Это как если бы мы взяли чемпиона по бегу на одной ноге и пустили его наперегонки с Усэйном Болтом, запретив тому пользоваться второй ногой. Кажется немного нечестным, но формально — да, одноногий показал преимущество над двуногим.

На самом деле, нет. Как отметили исследователи из IBM, авторы работы в Nature «немного» подыграли детищу Google. Они оценили выполнение Sycamore тестовой программы, исходя из предположения, что классический суперкомпьютер будет считать по тем же командам, используя оперативную память. Однако в реальной жизни суперкомпьютеры и компьютеры вообще имеют не только оперативную память.

Люди из IBM посчитали, что если суперкомпьютер при выполнении того же теста будет использовать и оперативную память, и жесткие диски, то он справится за 2,5 дня или пару сотен тысяч секунд. Это в тысячу раз медленнее, то есть о «квантовом превосходстве» в прямом смысле речь уже не идет.

Конечно, квантовый процессор выполнил специализированную «под него» задачу в тысячу раз быстрее классического. Но какой в этом смысл, если вне бенчмарка для «доказательства» превосходства квантовых компьютеров таких задач не встречается вовсе?

Но какой в этом смысл, если вне бенчмарка для «доказательства» превосходства квантовых компьютеров таких задач не встречается вовсе?

Подведем итоги: компания Google попыталась срубить хайп на «доказательстве квантового превосходства» и вовлекла в свою сомнительную затею Nature. На самом же деле никакого доказательства квантового превосходства не случилось.

Более того, и российские исследователи, и IBM вообще сомневаются, что квантовые компьютеры когда-либо в мыслимом будущем покажут практическое превосходство над классическими. Дополнят — да, но никаких чудес от них ждать не стоит. В этом столетии не сделают на их основе искусственного интеллекта и не взломают вашу дебетовую карту или криптокошелек. Будьте осторожны: не доверяйте сенсационным заголовкам, не проверив все описанное под ними до самого конца.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Вчера, 18:50
7 минут
Василий Парфенов

С момента появления систем автономного вождения многие задавались вопросом: а как они будут выглядеть в идентичных условия? К счастью, у нас наконец-то появилась возможность сравнить два самых известных автомобильных автопилота: системы разработки Tesla и Waymo — дочерней структуры Alphabet, владеющей Google. Машины проехали по одному маршруту, но сделали это совершенно по-разному, что весьма удивляет.

6 часов назад
31 минута
Василий Парфенов

Минувшая неделя озарилась одним из самых впечатляющих достижений человечества — успешной посадкой сложнейшего робота весом более тонны на поверхность другой планеты. Более того, этот процесс впервые снимали на видео сразу несколько камер в высоком разрешении. Опубликованный NASA ролик оказался не только занимательным зрелищем, но и самой настоящей научно-детективной короткометражкой.

Вчера, 19:26
10 минут
Мария Азарова

Исследование предоставило доказательства более плохого состояния костей тех, кто придерживается веганской диеты. Также исследователи обнаружили комбинацию биомаркеров, связанных с питанием, которые могут способствовать здоровью костной ткани.

2 марта
42 минуты
Редакция

Все знают, что нефть — это углеводороды. Но из чего она образовалась? Правда ли, что из динозавров? И сколько миллионов лет нефти, из которой сегодня делают бензин и сотни других важных окружающих нас вещей? Разбираемся, какие запасы нефти залегают в России и сколько их осталось, почему их до сих пор не добыли, а также, как это связано с существами, которые жили миллионы лет назад.

2 марта
5 минут
Сергей Васильев

Моделирование показало, что через миллиард лет атмосфера нашей планеты переживет резкие изменения и потеряет весь свой кислород, отбросив жизнь к древнейшим анаэробным формам.

Вчера, 07:05
10 минут
Василий Парфенов

Американские исследователи проанализировали данные опросов молодежи в возрасте от 18 до 23 лет с 2007 по 2017 год и обнаружили несколько факторов, коррелирующих с общей тенденцией к снижению популярности случайного секса, то есть нерегулярных половых связей вне постоянных романтических отношений. Среди наиболее заметных — возросшая вовлеченность в компьютерные игры, жизнь под одной крышей с родителями и меньшее употребление алкоголя.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

15 февраля
9 минут
Василий Парфенов

Новость, которую странно публиковать на серьезном научно-популярном портале, но от реальности не убежишь. Уфологи всего мира могут радоваться: американские военные официально признали, что изучали места крушения НЛО и в их распоряжении есть некие аномальные объекты, свойства которых выходят за рамки известных науке материалов.

[miniorange_social_login]

Комментарии

8 Комментариев

ivankolupayev
03.10.2020
-
0
+
Как-то так. Теперь и марсианская тема для меня закрыта. Могли бы хотя бы причину сообщить. Если это конечно не косяк очередной. Еще забавней теперь ведет себя курсор он уезжает на последнее сообщение при обновлении страницы. А при попытке редактирования в "закрытых" темах наверх. омг
    Александр Березин
    03.10.2020
    -
    0
    +
    А что за ОС и версия браузера, если не секрет? У меня то, что справа -- тоже есть.
    +
      ещё комментарии
      ivankolupayev
      03.10.2020
      -
      0
      +
      хром win10 в опере проверил вроде нормально работает такой фигни нету. В хроме треш и угар
      ivankolupayev
      03.10.2020
      -
      0
      +
      Хм, очистки кэша конкретно этого сайта оказалось недостаточно. Пришлось чистить везде и за все время. Теперь вроде помогло.
Семен Курсаков
03.10.2020
-
0
+
Я так и думал, что вся эта суета вокруг квантов - пустышка. Вот нутром чую, а доказать не могу. (с)
    ivankolupayev
    03.10.2020
    -
    0
    +
    Это прошлогодняя статья )) с тех пор случились кое-какие подвижки в деле квантовых технологий. Такими темпами квантовые компьютеры могут стать повседневностью раньше полетов на Марс. Другой вопрос что решать скорей всего будут свои специфические задачи и компьютеры обычные в быту вряд ли вытеснят.
ivankolupayev
26.11.2019
-
0
+
Российские исследователи сомневаются, но 24 лярда освоить не отказываются :) Ведь в жизни главное не финиш, а участие. https://life.ru/1253538" class="--shesht-accent-link"> https://life.ru/1253538
    Семен Курсаков
    03.10.2020
    -
    0
    +
    Когда я давным-давно учил язык Паскаль, там была такая любопытная особенность. Процедура часто работала не ради прямого результата самой процедуры, а ради неких побочных эффектов, которые часто бывали даже важнее основных результатов. Ученым всегда интересно что-нибудь делать, даже если напрямую что-то трундно получить из этого. Зато нарабатываются компетенции, навыки, приобретается опыт.
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: