Удалось ли Google добиться квантового превосходства
20 сентября “Financial Times” опубликовала новость, вызвавшую изрядный ажиотаж. На сайте NASA был (случайно) обнаружен отчет известного специалиста по квантовым вычислениям Элеоноры Риффель из Исследовательского центра Эймса. Это ведущее подразделение NASA, которое по Программе научно-технической информации сотрудничает с группой Google Quantum, занимающейся квантовыми процессорами и алгоритмами. Отчет, датированный августом этого года, называется “Квантовое превосходство с помощью программируемого сверхпроводящего процессора”.
Квантовое превосходство — не метафора; оно означает, что квантовый компьютер смог решить задачу, практически недоступную для обычных вычислений (термин ввел профессор Джон Прескилл из Калифорнийского технологического института). Как следует из публикации, специалистам из Google это удалось. Они использовали собственный квантовый процессор Sycamore. Он потратил всего 200 секунд на расчет, с которым самый мощный в мире суперкомпьютер Summit от IBM справился бы лишь за примерно 10 тысяч лет (еще около миллиона лет ушло бы на верификацию).
Сразу после публикации в “Financial Times” отчет исчез с сайта (но его по-прежнему можно найти в интернете). Зато продолжились спекуляции на тему, что это было: случайная утечка или преднамеренный “слив” от Google? Дело в том, что еще в 2017-м компания заявила, что к концу года собирается достичь квантового превосходства; позже эти планы пришлось корректировать. А буквально за несколько дней до “утечки” появилась информация от IBM, что уже в середине октября для пользователей станет доступен их самый большой в мире универсальный квантовый компьютер IBM Q. Правда, директор IBM по исследованиям Дарио Гил утверждает, что цели компании несколько скромнее: “мы стремимся к тому, что мы называем квантовым преимуществом”, то есть к решению задач, которые в принципе по силам обычному компьютеру (подразумевается, с приставкой “супер”), но квантовый справляется с ними намного быстрее.
Еще в начале 1980-х, знаменитый физик Ричард Фейнман отмечал, что из-за вычислительных ограничений на обычном компьютере практически невозможно смоделировать даже относительно простую физическую систему. Но можно было бы подумать, как для этого использовать квантовую механику. И такую возможность обосновал американский физик Поль Бенёфф, опубликовавший квантово-механическую модель классической машины Тьюринга. В 1981-м Фейнман предложил и сам термин “квантовый компьютер”. Уже через три года Питер Шор разработал эффективный квантовый полиномиальный алгоритм факторизации (разложения на множители) больших чисел — это важная математическая задача, для которой классический алгоритм пока так и не найден. А в 1985 году английский физик Дэвид Дойч описал базовые логические элементы квантовых вычислений — квантовые вентили, состоящие из кубитов (сам термин “кубит” появится только через 10 лет).
Обычный компьютер работает с битами. Каждый бит — это логический ноль или единица, независимо от того, как это реализовано физически. Кубит (квантовый бит) тоже логический элемент, и у него тоже два состояния (бывают также кутриты, куквадриты и т. д.). Но при этом он, как бы, может находиться в обоих состояниях одновременно. Это называется квантовой (или когерентной) суперпозицией. Когда мы пытаемся определить, в каком состоянии находится кубит, мы с некоторой вероятностью обнаруживаем либо одно, либо другое. Но не все так безнадежно: если кубитов много, наблюдая за ними, мы можем судить об их состояниях. В этом нам помогает квантовая запутанность (её также называют “сцепленностью”). Благодаря ей, состояния объектов оказываются взаимозависимы. И эта зависимость сохраняется, как бы далеко они ни находились друг от друга. Когда мы изменяем один объект, изменяется и другой. Эйнштейн называл это “жутким действием на расстоянии”. Может показаться, что такое поведение противоречит законам физики — получается, что объекты как-то взаимодействуют быстрее скорости света. На самом деле нет. Зависимы не сами состояния объектов, а вероятности того, что мы увидим. А узнать полную картину можно только обменявшись сообщениями об этом, то есть, в лучшем случае, всё с той же скоростью света. Есть наглядная, хотя технически и неверная, иллюстрация. Представьте, что мы взяли пару ботинок и, спрятав по одному ботинку в две разные коробки, отдали их двум физикам. Неважно, как далеко они разъедутся — да хоть на разные планеты. Когда наши физики откроют свои коробки, тот, кто обнаружит у себя левый ботинок, сразу поймет, что у второго — правый. А чтобы увидеть полную картину, им придется поговорить друг с другом.
Именно квантовая запутанность позволяет в некоторых случаях получать огромный выигрыш в скорости вычислений. Это называется квантовым ускорением. Нам не нужно, как в классических алгоритмах, идти по шагам, число которых стремительно растет; мы можем за раз “увидеть” состояние всей системы. Считается, что до 50 кубитов обычный компьютер еще может тягаться с квантовым (есть и более оптимистичные оценки, но больше 100 никто не дает). Но в общем, с каждым новым кубитом требуется практически удвоение классических вычислений. Использовавшийся процессор Sycamore является 54-кубитным, хотя 1 кубит “сломался” и работали только 53 (в некоторых новостных публикациях вообще писали, что там был 72-кубитный чип Bristlecone, который Google показывала в марте этого года, но в отчете о нем ни слова). Так что по характеристикам он вполне мог “уделать” даже супер-компьютер. В отчете приведены соответствующие расчёты быстродействия, да и вообще, не верить ему нет оснований — это достаточно серьезный технический документ, хотя и не без лирических отступлений.
Очень важно, что Sycamore не специализированный процессор, но его можно программировать на решение различных задач. Долгое время большинство квантовых процессоров были так называемыми вычислителями, рассчитанными на решение какой-то одной конкретной задачи. Так, в 2007 году канадский стартап D-Wave представил квантовый чип, который умел решать судоку. Другие вычислители D-Wave умели что-то другое (сейчас у них в серии уже 4-е поколение). В исследовательских целях это оборудование закупали и Google, и Lockheed Martin, и NASA. Для тестирования технологии Google даже заключил с NASA специальное соглашение. А в 2014-м компания создала собственную лабораторию квантовых вычислений, которую возглавил профессор Джон Мартинс — считается, что по оснащению ей нет равных. Не отстает и IBM. В 2016-м она предоставила веб-сервис, через который можно было поэкспериментировать с квантовыми вычислениями. А годом позже Microsoft представила язык Q#, предназначенный для реализации квантовых алгоритмов. Свои исследовательские лаборатории имеют и другие компании. Причем в гонке принимают участие не только IT-гиганты, но и стартапы. Так, например Rigetti Computing (основанный Чадом Ригетти, выходцем из IBM) специализируется на изготовлении квантовых чипов: к концу этого года они даже обещали сделать 128 кубитов.
Конечно, число кубитов — первое, на что обращают внимание, и именно здесь идет основная гонка. Но есть и другие, не менее важные вещи. Например, время декогеренции. Из-за того, что квантовая система взаимодействует с окружающей средой, в ней неизбежно протекают необратимые процессы. В общем, карета превращается в тыкву, а сама система ”запутывается” с окружающей средой. Нужно как-то изолировать её от всего, начиная от любых излучений и до температурных воздействий. В том же IBM Q, например, температура “усилителя” всего 4 кельвина, а “смесителя” 15 мК — это холоднее, чем в космосе, который реликтовое излучение “подогревает” почти на 3 градуса. И чем больше кубитов, тем сложнее сохранять когерентность. Поэтому часть кубитов приходится использовать для исправления ошибок, связанных с самой декогеренцией. Получается замкнутый круг, где “один с сошкой, семеро с ложкой”. Так что чип Rigetti, возможно, и сделает. Не к Новому году, так чуть позже. Нужно, чтобы он еще заработал. С инженерной точки зрения всё это очень сложные задачи. Пока что квантовые системы чрезвычайно громоздки, тяжелы и дороги. Весьма компактный по меркам квантовых вычислений 3-метровый D-Wave стоит около $15 млн. Это, можно сказать, даром. В 2017 в Англии представили проект квантового компьютера размером с футбольное поле. Ориентировочная цена около $125 млн. Впрочем, это никого не смущает: первый в мире компьютер ENIAC (1945 год) тоже весил почти 30 тонн и занимал площадь трех теннисных кортов. Правда, даже в сегодняшних ценах он стоил чуть более $7 млн.
В квантовую гонку включились все страны, обладающие соответствующими технологическими и финансовыми возможностями. Свои программы есть и в Евросоюзе, и в Китае, и в Японии. В России в 2018 создан консорциум “Цифровая экономика” (Внешэкономбанк, ФПИ, “ВЭБ-инновации”, МГУ и АНО), который занимается квантовыми вычислениями. Ставки очень высоки. И не только в бизнесе; оценки рынка как раз таки довольно скромные. Но многие полагают, что прорыв в квантовых вычислениях способен дать лидеру не просто фору, но полное и безоговорочное преимущество. После чего наступит сплошная сингулярность.
А пока, похоже, Google сумел добиться серьезного успеха. И даже если выяснится, что «в действительности всё не совсем так, как на самом деле», то где-где, а в квантовом мире это самое обычное дело.