IT

Чего достиг? Зачем? Мир остался прежним?

На минувшей неделе журналисты Financial Times поймали агентство NASA за руку: на сайте последнего была сначала опубликована, а затем стремительно удалена заметка о том, что специалисты Google достигли квантового превосходства. ТАСС вместе с Алексеем Федоровым, руководителем группы квантовых информационных технологий Российского квантового центра, разбирает, что произошло и что все эти слова значат.

Чего-чего достигли в Google?

Квантового превосходства (Quantum Supremacy). Джон Прескилл, который ввел этот термин, неформально объяснял его так, цитирует Федоров: "Квантовые компьютеры за разумное время решают ту задачу, которая за разумное время на классическом компьютере решена быть не может". Есть более строгое и научное определение термина, но в расхожем смысле квантовое превосходство зачастую понимается именно так.

Достичь этого превосходства физик Джон Мартинис, руководитель группы квантовых вычислений в Google AI, обещал еще в конце 2017-го. Теперь, если верить препринту статьи, "всплывшей" на сайте программы NASA по научным коммуникациям и осевшей в кэше поисковика Bing, группа Мартиниса справилась с задачей, опоздав всего-то на два года. Их квантовый компьютер на 53 рабочих сверхпроводящих кубитах (вообще должно было быть 54, но один сломался) примерно за 200 секунд справился с задачей, на которую суперкомпьютеру Summit, наиболее производительному сегодня на планете, потребуется 10 тыс. лет. Под определение квантового превосходства, на первый взгляд, эта история попадает.

Подождите секунду, на сверхпроводящих ку... чем?

Кубит (qubit, от quantum bit) — это бит, только квантовый. Обычная единица информации, бит — это базовый "кирпичик" классических вычислителей. Он может находиться строго в одном из двух логических состояний: либо 0, либо 1. Лампочка или горит, или нет. Транзистор либо под напряжением, либо нет. А вот квантовый, он как кот Шредингера, находится в суперпозиции: одновременно "и жив, и мертв", в том смысле, что он и 0, и 1, и "выпадает" в одно из значений, только когда мы проверяем его состояние.

Это значит, что система из двух битов в каждый отдельный момент может кодировать лишь одно из четырех своих возможных состояний, а вот система из двух кубитов кодирует сразу четыре из четырех. Соответственно, когда кубитов у нас десять, то и кодирует она одновременно сразу 1024 состояния, а вычислительные операции над каждым из них можно совершать с использованием квантового параллелизма.

Подробнее о кубитах и том, какие они бывают, читайте в материале "Бит квантового мира".

Зачем это квантовое превосходство нужно?

Демонстрация квантового превосходства нужна для того, чтобы наконец показать: квантовые компьютеры — это не просто фантазия Ричарда Фейнмана, а реальная машина, которая действительно мощнее классических в определенных задачах. А такой скепсис в научном сообществе присутствует. Поэтому экспериментальная демонстрация превосходства квантовых вычислителей над традиционными — важная и необходимая веха в развитии квантовых компьютеров.

Кстати, поскольку определение квантового превосходства достаточно свободно, можно было считать, что оно было достигнуто еще несколько лет назад, отмечает Федоров. Очень, очень специфическая задача была решена еще группой немецкого физика Эммануэля Блоха — тогда задача по симуляции квантового процесса на установке Блоха была решена, и проверить ее на традиционных вычислителях не удалось (хотя и не исключено, что немцы не стали особенно стараться, не будучи заинтересованы в достижении превосходства). Кроме того, машина Блоха была квантовым симулятором, а не компьютером, то есть не была способна совершать логические операции.

Убедить небольшую группу специалистов, погруженных в тему, — это одно дело. Но для того, чтобы убедить достаточное число физиков, нужны аргументы посильнее. Они должны иметь под собой обоснование с точки зрения теории вычислительной сложности.

И случае с нынешним экспериментом шансы на признание намного выше.

В чем особенность эксперимента Мартиниса?

Группа Мартиниса взяла задачу, теоретические оценки сложности решения которой есть и есть консенсус о том, что классический компьютер ее в "разумное время" уже не решает. Задача эта — генерация случайных квантовых схем и перевод их в двоичный код (то есть число типа 1010101000101…).

Этот консенсус, конечно, не всеобщий. В публикации мая 2019 года, в которой он зафиксирован, ученые описывают, что они придумали тест на "превосходность" квантовых машин, который подходит квантовым вычислителям любой архитектуры. Для этого им необходимо решить задачу по генерации случайной квантовой схемы определенного размера и ее "прочтения": у мощнейшего на планете Summit подобные расчеты заняли два с лишним часа, у другого суперкомпьютера, Electra из NASA, 59 часов, а квантовый вычислитель, предсказывали ученые, должен справиться за 100 секунд.

Ученые усложнили себе задачу до невыполнимых для традиционных вычислителей масштабов и справились с ней за 200 секунд — они перевели случайную квантовую схему в строчки бинарного кода миллион раз.

У такой процедуры, конечно, есть некоторые практические следствия, признает Федоров. Например, генерация истинно случайных чисел. Это приложение уже можно монетизировать: на конференции Российского квантового центра в июле 2019-го в Москве именно оно было обозначено как первое коммерческое применение квантовых компьютеров. Но это пока не универсальный квантовый компьютер.

Если не универсальный, то какой это был компьютер?

Машина, которая, судя по всему, привела Google к квантовому превосходству, крайне специфическая и заточена была конкретно под эту задачу. Можно ли с помощью такого чипа решать эффективно другие задачи — вопрос открытый.

Квантовые компьютеры, в отличие от привычных нам, бывают самых разных типов и обликов. Квантовый бит должен проявлять квантовые свойства, а обыкновенные объекты, те же лампочки или транзисторы, не таковы. Поэтому на роль кубитов нужны объекты микромира, настолько маленькие, чтобы подчиняться уже правилам квантовой механики. И кандидатов на это множество. Есть машины, кубиты которых — это частицы бериллия в электромагнитных ловушках, а их состояния — собственно их колебания. Есть кубиты на дефектах в кристаллической решетке алмаза: электроны в наноскопических "щербинках" при облучении лазером тоже демонстрируют квантовые свойства. Множество самых разных компаний, которые сегодня строят свои квантовые вычислители, развивают самые разные технологии. Какая из них однажды станет пользовательским стандартом, предсказать пока невозможно.

Машины Мартиниса — это наиболее понятные современным компьютерщикам, как и обывателям, "железки". Это чип из сверхпроводников, то есть связанные друг с другом металлические микросхемы, охлажденные жидким гелием почти до абсолютного нуля. Сверхпроводящий ток, циркулирующий в таких микросхемах, как раз и "квантуется": 1 и 0 у такого квантового бита соответствует либо направление тока (по или против часовой стрелки), либо число куперовских пар (то есть пар электронов в сверхпроводящем токе) на отдельных элементах микросхем. Такие машины сейчас делает не только Google, но и другой техногигант — IBM. И основной спор за право быть "квантовым лидером" ведут именно они.

О перспективах квантовых компьютеров и значении квантовой гонки читайте в материале "В стадии мирной коллаборации".

Почему удалили статью?

В распоряжении широкой аудитории есть пока лишь "спасенная" с сайта NASA копия: нет графиков, шрифты искажены. Неизвестно даже, полный ли это текст. Но в целом, говорит Федоров, даже эти фрагменты позволяют судить о том, что техническое достижение имеет место быть. Но для настоящей оценки и верификации, по словам Алексея, нужно дождаться научной статьи. Так что слухи о том, что статья уже прошла рецензирование и пока просто продолжает готовиться к печати, скорее всего, верны.

Статью удалили, по-видимому, чтобы не сорвать запланированные торжества (хотя эффект, конечно, уже будет несколько испорчен), а не потому что что-то пошло не так.

Как она вообще попала в NASA? У тех есть контракт с Google именно для того, чтобы проверять результаты машины Мартиниса на суперкомпьютере агентства. Судя по титульному листу статьи в кэше, виновным в утечке стоит считать Моффета Филда (Moffett Field), и указанного в качестве автора отчета в системе NASA, и числящегося в списке соавторов самой статьи.

И что теперь?

Пока надо дождаться официальной публикации. Дополнительные вопросы, конечно, могут возникнуть, признает Федоров. Но шампанское, хотя открывать его пока и рано, можно запасать. Демонстрация квантового превосходства — это важнейшая веха в развитии квантовых вычислений, хотя это и не значит, что теперь-то мы сможем наконец получить все ответы на все вопросы.

Говоря о "квантовой гонке", часто упоминают о том, что создание эффективного квантового компьютера в чем-то сродни созданию ядерной бомбы. Например, защита системы RSA, которая сегодня крайне широко используется для шифрования данных, строится как раз на том, что классическим вычислителям для факторизации длинных чисел нужно огромное время. Но вот квантовый компьютер такая защита не остановит: то, что система на кубитах будет с легкостью решать такие задачи, было концептуально показано — все тем же Мартинисом и многими другими группами — еще в начале этого десятилетия. Однако в "утекшей" статье отдельно оговаривается, что для реализации алгоритма Шора (который, собственно, и был придуман для того, чтобы раскладывать длинные числа на множители при помощи квантовых процессоров) их системе все еще нужно время, сейчас это невозможно.

На то, чтобы сломать RSA и какую-то другую криптографическую систему с открытым ключом, оценивает Федоров, потребуются миллионы кубитов. Сейчас речь лишь о десятках и сотнях. Сколько времени на масштабирование технологии потребуется, оценить невозможно: это могут быть два, три года, пять лет, а может быть, это придумают уже завтра. Но пока непонятно, когда это случится.

Зачем это тогда вообще нужно?

Тут все очень просто. Квантовые вычислители — это хорошие вычислители, а вычисления сегодня лежат в основании таких весьма многообещающих для капитала вещах, как, например, синтез новых молекул (это и новые материалы, и новые лекарства) и машинное обучение. Да и банальное увеличение объемов данных, перемещение которых по миру обеспечивает все тот же Google, требует все более мощных процессоров. Для многих техногигантов прорыв в экспоненциальный рост вычислительных способностей — вопрос банальный. Выживание.

Иван Шунин
https://nauka.tass.ru/nauka/6922042