Квантовое превосходство приближается: вот что вам следует знать

  •  21 /
Квантовый компьютер IBM находится внутри устройства, которое охлаждает кубиты до доли градуса выше абсолютного нуля. Низкая температура помогает предотвратить повреждение кубитов шумом.
Spread the love

Исследователи близки к созданию квантового компьютера, который может выполнять задачи, которые классический компьютер не может. Вот что будет означать эта веха.

Квантовые компьютеры никогда полностью не заменят «классические», такие как устройство, на котором вы читаете эту статью. Они не будут запускать веб-браузеры, помогать с вашими налогами или транслировать последние видео с Netflix.

Что они сделают — по крайней мере, на что давно надеялись — так это предложат принципиально другой способ выполнения определенных вычислений. Они смогут решить проблемы, на выполнение которых быстрому классическому компьютеру потребуются миллиарды лет. Они позволят моделировать сложные квантовые системы, такие как биологические молекулы, или предложат способ множить невероятно большие числа, взламывая тем самым давние формы шифрования.

Порог, на котором квантовые компьютеры переходят от интересных исследовательских проектов к тому, что не может делать ни один классический компьютер, называется «квантовым превосходством». Многие люди считают, что проект Google по квантовым вычислениям достигнет этого в конце этого года. В преддверии этого события мы создали это руководство для любопытных квантовых вычислений. Он предоставляет информацию, которая вам понадобится, чтобы понять, что означает квантовое превосходство и действительно ли оно было достигнуто.

Что такое квантовое превосходство и почему оно важно?

Чтобы достичь квантового превосходства, квантовый компьютер должен был бы выполнять любые вычисления, которые для всех практических целей классический компьютер не может.

В каком-то смысле эта веха искусственна. Задача, которая будет использоваться для проверки квантового превосходства, является надуманной — скорее салонный трюк, чем полезный прогресс (подробнее об этом чуть позже). По этой причине не все серьезные попытки создать квантовый компьютер специально нацелены на квантовое превосходство. «Квантовое превосходство, мы вообще не используем [этот термин]», — сказал Роберт Сутор, руководитель стратегии IBM в области квантовых вычислений. «Нас это вообще не волнует».

Но с другой стороны квантовое превосходство стало бы переломным моментом в истории вычислений. На самом базовом уровне это может привести к квантовым компьютерам, которые, по сути, будут полезны для решения определенных практических задач.

У этой точки зрения есть историческое оправдание. В 1990-х первые квантовые алгоритмы решали проблемы, о которых никому не было дела. Но компьютерные ученые, которые их разработали, узнали вещи, которые они могли применить при разработке последующих алгоритмов (таких как алгоритм Шора для разложения больших чисел), которые имеют огромные практические последствия.

«Я не думаю, что эти алгоритмы существовали бы, если бы сообщество сначала не занялось вопросом« В чем в принципе хороши квантовые компьютеры? » не беспокоясь о потребительной ценности прямо сейчас », — сказал Билл Фефферман, ученый в области квантовой информации из Чикагского университета.

Мир квантовых вычислений надеется, что сейчас этот процесс повторится. Создав квантовый компьютер, который превосходит классические компьютеры — даже при решении единственной бесполезной проблемы — исследователи могут узнать вещи, которые позволят им впоследствии построить более полезный квантовый компьютер.

«До превосходства у квантового компьютера просто нулевой шанс сделать что-нибудь интересное», — сказал Фернандо Брандао, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института и научный сотрудник Google. «Превосходство — необходимая веха».

Кроме того, квантовое превосходство стало бы землетрясением в области теоретической информатики. На протяжении десятилетий эта область работала в соответствии с предположением, называемым «расширенным тезисом Черча-Тьюринга», в котором говорится, что классический компьютер может эффективно выполнять любые вычисления, которые может выполнять любой другой тип компьютера. Квантовое превосходство было бы первым экспериментальным нарушением этого принципа и, таким образом, открыло бы информатику в совершенно новый мир. «Квантовое превосходство стало бы фундаментальным прорывом в нашем взгляде на вычисления», — сказал Адам Буланд, ученый в области квантовой информации из Калифорнийского университета в Беркли.

Как продемонстрировать квантовое превосходство?

Решая задачу на квантовом компьютере, которую классический компьютер не может решить эффективно. Проблема может заключаться в том, что вы хотите, хотя обычно ожидается, что первая демонстрация квантового превосходства будет связана с конкретной проблемой, известной как «выборка случайных схем».

Простым примером задачи случайной выборки является программа, имитирующая бросок честного кубика. Такая программа работает правильно, если она правильно выбирает возможные результаты, выдавая каждое из шести чисел на кубике в одной шестой части времени, когда вы запускаете программу повторно.

Вместо кристалла эта проблема кандидата на квантовое превосходство требует от компьютера правильной выборки из возможных выходных сигналов случайной квантовой схемы, что похоже на серию действий, которые могут быть выполнены с набором квантовых битов или кубитов. Рассмотрим схему, которая действует на 50 кубитов. По мере прохождения кубитов по цепи состояния кубитов переплетаются или запутываются в так называемой квантовой суперпозиции. В результате в конце схемы 50 кубитов находятся в суперпозиции 2 50 возможных состояний. Если вы измеряете кубиты, море из 2 50 возможностей сворачивается в одну строку из 50 бит. Это похоже на бросание кости, только вместо шести вариантов у вас есть 2 50, или 1 квадриллион, и не все возможности одинаково вероятны.

Квантовые компьютеры, которые могут использовать чисто квантовые функции, такие как суперпозиции и запутанность, должны иметь возможность эффективно производить серию выборок из этой случайной схемы, которая следует правильному распределению. Однако для классических компьютеров не существует известного быстрого алгоритма генерации этих выборок, поэтому по мере увеличения диапазона возможных выборок классические компьютеры быстро перестают справляться с этой задачей.

Что за ограбление?

Пока квантовые схемы остаются небольшими, классические компьютеры могут идти в ногу со временем. Итак, чтобы продемонстрировать квантовое превосходство с помощью задачи случайной выборки схем, инженерам необходимо иметь возможность создавать квантовые схемы хотя бы определенного минимального размера — а пока они не могут.

Размер схемы определяется количеством кубитов, с которых вы начинаете, в сочетании с количеством манипуляций с этими кубитами. Манипуляции в квантовом компьютере выполняются с помощью «вентилей», как и в классическом компьютере. Различные типы вентилей по-разному преобразуют кубиты — одни меняют значение одного кубита, а другие по-разному объединяют два кубита. Если вы пропустите свои кубиты через 10 ворот, вы скажете, что у вашей схемы «глубина» 10.

По оценкам компьютерных специалистов, для достижения квантового превосходства квантовый компьютер должен решить задачу случайной выборки схемы для схемы примерно из 70–100 кубитов с глубиной около 10. Если схема намного меньше этой, то классический компьютер вероятно, все еще удастся его смоделировать — а классические методы моделирования постоянно совершенствуются.

Тем не менее, проблема, с которой сейчас сталкиваются квантовые инженеры, заключается в том, что с увеличением количества кубитов и вентилей увеличивается и частота ошибок. И если частота ошибок слишком высока, квантовые компьютеры теряют свое преимущество перед классическими.

В квантовой схеме есть много источников ошибок. Наиболее важной из них является ошибка, которая накапливается в вычислениях каждый раз, когда схема выполняет операцию затвора.

На данный момент лучшие квантовые вентили с двумя кубитами имеют коэффициент ошибок около 0,5%, что означает, что на каждые 200 операций приходится примерно одна ошибка. Это астрономически выше, чем частота ошибок в стандартной классической схеме, где на каждые 10 17 операций приходится примерно одна ошибка. Чтобы продемонстрировать квантовое превосходство, инженерам придется снизить частоту ошибок для двухкубитных вентилей примерно до 0,1%.

Это не похоже на запуск ракеты или ядерный взрыв, когда просто наблюдаешь и сразу понимаешь, удалось ли это.

Как мы узнаем наверняка, что квантовое превосходство было продемонстрировано?

Некоторые вехи однозначны. Квантовое превосходство не входит в их число. «Это не похоже на запуск ракеты или ядерный взрыв, когда вы просто смотрите и сразу узнаете, удалось ли это», — сказал Скотт Ааронсон, ученый-компьютерщик из Техасского университета в Остине.

Чтобы проверить квантовое превосходство, вы должны показать две вещи: что квантовый компьютер выполняет вычисления быстро, и что классический компьютер не может эффективно выполнять те же вычисления.

Это вторая часть, которая сложнее всего. Классические компьютеры часто оказываются лучше при решении определенных задач, чем ожидали компьютерные ученые. Пока вы не докажете, что классический компьютер не может делать что-то эффективно, всегда есть шанс, что существует лучший и более эффективный классический алгоритм. Доказать, что такого алгоритма не существует, вероятно, больше, чем нужно большинству людей, чтобы поверить в утверждение о квантовом превосходстве, но для принятия такого утверждения может потребоваться некоторое время.

Насколько близок к этому кто-нибудь?

По многим оценкам, Google стучится в дверь квантового превосходства и может продемонстрировать его до конца года. (Конечно, то же самое было сказано в 2017 году.) Но ряд других групп имеют потенциал для достижения квантовую превосходства в ближайшее время, в том числе в IBM, IonQ, Rigetti и Гарвардского университета.

Эти группы используют несколько различных подходов к созданию квантового компьютера. Google, IBM и Rigetti выполняют квантовые вычисления с использованием сверхпроводящих схем. IonQ использует захваченные ионы. В Гарвардской инициативе, возглавляемой Михаилом Лукиным, используются атомы рубидия. Подход Microsoft, который включает « топологические кубиты », кажется более долгим.

У каждого подхода есть свои плюсы и минусы.

Преимущество сверхпроводящих квантовых схем состоит в том, что они сделаны из твердотельного материала. Они могут быть построены с использованием существующих технологий изготовления, и они выполняют очень быстрые операции с воротами. Кроме того, кубиты не перемещаются, что может быть проблемой для других технологий. Но они также должны быть охлаждены до чрезвычайно низких температур, и каждый кубит в сверхпроводящем чипе должен быть индивидуально откалиброван, что затрудняет масштабирование технологии до тысяч кубитов (или более), которые потребуются в действительно полезном квантовый компьютер.

У ионных ловушек есть противоположный набор сильных и слабых сторон. Отдельные ионы идентичны, что помогает при изготовлении, а ионные ловушки дают вам больше времени для выполнения вычислений, прежде чем кубиты будут перегружены шумом из окружающей среды. Но вентили, используемые для работы с ионами, очень медленные (в тысячи раз медленнее, чем сверхпроводящие вентили), и отдельные ионы могут перемещаться, когда вы этого не хотите.

На данный момент, кажется, быстрее всего развиваются сверхпроводящие квантовые схемы. Но существуют серьезные инженерные барьеры, с которыми сталкиваются все различные подходы. Потребуется крупный новый технологический прогресс, прежде чем можно будет построить квантовые компьютеры, о которых люди мечтают. «Я слышал, что для квантовых вычислений может потребоваться изобретение, аналогичное транзистору, — революционная технология, которая работает почти безупречно и легко масштабируется», — сказал Буланд. «Хотя недавний экспериментальный прогресс был впечатляющим, я считаю, что это еще не найдено».

Скажем, квантовое превосходство было продемонстрировано. Что теперь?

Если квантовый компьютер достигает превосходства в надуманной задаче, такой как выборка случайных схем, возникает очевидный следующий вопрос: хорошо, когда же он сделает что-нибудь полезное?

Веху полезности иногда называют квантовым преимуществом. «Квантовым преимуществом является идея сказать: для реального случая использования — например, финансовых услуг, искусственного интеллекта, химии — когда вы сможете увидеть и как вы сможете увидеть, что квантовый компьютер делает что-то значительно лучше, чем какой-нибудь известный классический тест? » — сказал Сутор из IBM, у которой есть ряд корпоративных клиентов, таких как JPMorgan Chase и Mercedes-Benz, которые начали изучать возможности применения квантовых чипов IBM.

Второй важной вехой станет создание отказоустойчивых квантовых компьютеров. Эти компьютеры смогут исправлять ошибки в вычислениях в реальном времени, что в принципе позволяет проводить квантовые вычисления без ошибок. Но главное предложение по созданию отказоустойчивых квантовых компьютеров, известное как «поверхностный код», требует огромных накладных расходов в виде тысяч кубитов с исправлением ошибок для каждого «логического» кубита, который компьютер использует для фактического выполнения вычислений. Это выводит отказоустойчивость далеко за пределы современного состояния квантовых вычислений. Остается открытым вопрос, нужно ли квантовым компьютерам быть отказоустойчивыми, прежде чем они действительно смогут делать что-нибудь полезное. «Есть много идей, — сказал Брандао, — но нет ничего наверняка».

По материалам https://www.quantamagazine.org/quantum-supremacy-is-coming-heres-what-you-should-know-20190718/

Добавить комментарий