Google достиг квантового превосходства… но на самом деле нет

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.

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.

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.

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».

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?

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.