В перспективе квантовые вычисления способны произвести кардинальные изменения в сфере вычислительной техники. Тем не менее, в ближайшие годы это маловероятно, а заявления представителей Google относительно достижения так называемого «квантового превосходства» представляются скорее пиар-ходом.

Квантовые компьютеры обладают потенциалом для решения задач, требующих от классических систем тысяч лет вычислительного времени. Однако на текущем этапе их технические характеристики весьма скромны. Предпринятые попытки продемонстрировать превосходительство квантовых машин над традиционными – концепция «квантового превосходства» – подвергаются обоснованной критике. Рассмотрим причины этого явления подробнее.

Что дает квантовый компьютер

Квантовый компьютерВ своей основе квантовый компьютер использует не биты, как классический аналог, а кубиты (квантовые биты). В то время как бит принимает значения 0 или 1, кубит может существовать в состояниях | 0 ⟩ и | 1 ⟩, находясь при этом в состоянии суперпозиции. Это означает, что с определенной вероятностью его значение может быть одновременновоспринято как аналог нуля или аналога единицы. Проще говоря, вместо дискретных состояний нуль или один, значение кубита описывается непрерывной переменной, называемой квантовой амплитудой. Классический компьютер с десятью рабочими битами может иметь 2 в десятой степени четких состояний (порядка тысячи). Квантовый же будет обладать таким же количеством непрерывных переменных: следовательно, его «содержимое» значительно сложнее.

Становится очевидным, что даже элементарный кубит обладает значительно большей сложностью по сравнению с классическим битом. Не менее сложным представляется и взаимодействие между квантовыми битами в сравнении с обычными. В то время как бит может обладать двумя различными значениями с определенной вероятностью, при работе с ним можно одновременно обрабатывать оба эти потенциальных состояния. Следовательно, совокупности кубитов должны демонстрировать значительное вычислительное преимущество по сравнению с группами классических битов. Однако для реализации этого преимущества необходимы специализированные алгоритмы, способные использовать уникальные возможности квантовых компьютеров.

Наиболее существенный эффект от применения квантовых вычислений ожидается в сфере нейронных сетей, которые часто ассоциируются с перспективой создания искусственного интеллекта, приближающегося по своим характеристикам к естественному разуму. Квантовый алгоритм Шора позволяет эффективно выполнять факторизацию больших чисел, что открывает возможность дешифровки большинства современных криптографических систем.

Это может привести к компрометации данных кредитных карт и даже к попыткам несанкционированного доступа к криптовалютным кошелькам. Существует множество других потенциальных применений квантовых вычислений, однако искусственный интеллект и взлом криптографии на данный момент наиболее четко понятны с теоретической точки зрения.

Почему они еще не захватили весь мир

Несмотря на все это, достаточно результативных квантовых вычислительных машинРеальные квантовые компьютеры все еще не существуют. Подчеркнем: при текущем уровне развития технологий совершенно неизвестно, когда они станут доступными. Более того, среди ученых, включая российских специалистов, есть сторонники мнения, что считаютРешение данной задачи для высокопроизводительных квантовых компьютеров представляется принципиально невозможным.

Суть проблемы заключается в том, что даже самый минимальный практически применимый квантовый компьютер требует от тысячи до ста тысяч кубитов. Это влечет за собой наличие как минимум 2 в тысячной степени непрерывных переменных – приблизительно 10 в трехсотой степени. При этом общее число частиц во Вселенной не превышает 10 в сотой степени. Таким образом, количество возможных состояний квантового компьютера с полезной вычислительной мощностью достигнет уровня, при котором его функционирование станет практически неуправляемым и крайне подверженным ошибкам.

В то время как небольшое количество ошибок в обычном компьютере, использующем тысячу битов, может быть легко исправлено путем дублирования данных и работы «в обход» неисправного элемента, подобный подход неприменим к квантовым переменным. Они значительно сложнее, чем простое представление нулей или единиц. Эта сложность является одновременно источником мощи и уязвимостью квантового компьютера, поскольку контроль над ошибками, возникающими из-за нее, представляет собой чрезвычайно трудную задачу.

В качестве решения предложен метод коррекции ошибок, основанный на разбиении одного логического кубита на несколько физических и последовательном устранении возникающих неполадок. Несмотря на привлекательность данного подхода, он приводит к тому, что для создания эффективного квантового компьютера потребуется не тысяча, а миллион кубитов, что вновь обостряет проблему контроля над ошибками.

В связи с вышеизложенным, Российская академия наук, через Комиссию по борьбе с лженаукой, уже давно опубликовала опубликовала материал, утверждающий, что создание крупных и потенциально эффективных квантовых компьютеров в ближайшем будущем маловероятно. Подчеркивается, что хотя теоретическая возможность их существования сохраняется (аналогично, например, возможности перемещения со скоростью, превышающей скорость света), на практике не существует реальных способов достижения этой цели.

Чем гордится Google

Исследователи американского интернет-гиганта опубликовали в Nature В центре внимания оказалась статья, где авторы заявили о демонстрации – впервые в истории – так называемого «квантового превосходства». Это подразумевает создание квантового компьютера, способного решать задачи, которые практически недоступны для классических суперкомпьютеров.

Для этого они использовали квантовый процессор Sycamore Данный процессор был представлен сразу с 54 кубитами, при этом 53 из них могут быть задействованы одновременно. Само по себе создание такого процессора является значительным технологическим прорывом. Количество его возможных состояний – 9 007 199 254 740 992 (2 в степени 53), что эквивалентно девяти квадриллионам (миллионам миллиардов). Обеспечение корректности вычислений и минимизация ошибок в таком сложном устройстве представляет собой чрезвычайно трудную задачу. GoogleСоздание такого процессора само по себе является колоссальным успехом, представляющим собой передовую границу технологических возможностей современной цивилизации.

Однако, как было указано ранее, для достижения практической пользы квантовому компьютеру потребуется тысяча кубитов без применения корректировки ошибок и миллион кубитов при ее использовании. Sycamore, следовательно, практически полезный квантовый компьютер должен… не может даже близко.

Как же GoogleКак компании удалось продемонстрировать с его помощью так называемое «квантовое превосходство» над классическими вычислительными машинами? Ответ прост: ученые намеренно выбрали для него задачу, в которой квантовая система должна демонстрировать значительно лучшие результаты по сравнению с обычной. В процессор загружались определенные инструкции, после чего извлекались последовательности из 53 чисел, каждое из которых отражало состояние кубитов. Этот процесс повторялся неоднократно, аналогично тому, как это делается при тестировании производительности обычного компьютера.

После получения окончательных результатов их сопоставили с прогнозируемыми значениями для данного типа испытаний. Благодаря тому, что в рамках «бенчмарка» использовались заранее определенные последовательности команд, статистические данные по результатам могли быть спрогнозированы с высокой степенью вероятности.

Представленный выше тест представляет собой типичный пример «бенчмарка ради бенчмарка», не имеющего какого-либо потенциального практического применения. Однако исследователи, использовавшие Google авторы соответствующей статьи в Nature этот бенчмарк, смогли сделать следующее заявление:

«Наш процессор Sycamore задача была решена за 200 секунд… Проведенные нами тесты показывают, что аналогичная операция на классическом суперкомпьютере заняла бы около 10 тысяч лет. Этот значительный прирост производительности демонстрирует экспериментальную реализацию квантового превосходства».

Безусловно, если один исполнитель справляется с задачей за 200 секунд, а другой – за десять тысяч, разница очевидна. В данном контексте это явление описывается как «квантовое превосходство», поскольку оно демонстрирует способность квантового компьютера решать задачи, которые недоступны для обычных компьютеров. Даже самые мощные современные суперкомпьютеры не способны выполнить такие вычисления и выйдут из строя задолго до того, как истечет десять тысяч лет непрерывной работы. Sycamore.

Почему Google гордится этим зря

На вид все просто. Люди, работающие для GoogleВ качестве примера был создан компьютер без какой-либо практической пользы и подобрана задача, которую квантовый компьютер, даже если он не пригоден для реальных вычислений, все равно должен решить быстрее обычного суперкомпьютера. Это можно сравнить с соревнованием между бегуном на одной ноге и Усэйном Болтом, при этом последнему запрещено использовать вторую ногу. Хотя это кажется несправедливым, формально одноногий спортсмен демонстрирует преимущество над двуногим.

На самом деле, нет. Как отметили исследователи из IBM, авторы работы в Nature «немного» подыграли детищу Google. Они оценили выполнение SycamoreТестовая программа была разработана с учетом предположения о том, что классический суперкомпьютер будет выполнять вычисления по аналогичным инструкциям и использовать оперативную память. Однако в реальных условиях суперкомпьютеры и компьютеры обладают не только оперативной памятью.

Люди из IBM посчитали, но если при выполнении той же задачи суперкомпьютер задействует как оперативную память, так и жесткие диски, то время выполнения составит 2,5 дня или около двухсот тысяч секунд. Это в тысячу раз медленнее, что делает утверждение о «квантовом превосходстве» не совсем корректным.

Безусловно, квантовый процессор успешно справился с узкоспециализированной задачей, разработанной специально для демонстрации его возможностей, в тысячу раз быстрее, чем классический аналог. Однако возникает вопрос о практической ценности этого достижения, если подобные задачи не находят применения за пределами искусственно созданных тестов, призванных подтвердить превосходство квантовых вычислений?

Подведем итоги: компания Googleпредприняла попытку воспользоваться волной ажиотажа вокруг заявленного «квантового превосходства» и привлекла к реализации этой сомнительной инициативы Nature. Фактически, никакого реального прорыва в области квантового превосходства не произошло.

Более того, и российские исследователи, и IBM вообще сомневаются, ставя под сомнение возможность того, что когда-либо в обозримом будущем квантовые компьютеры смогут продемонстрировать ощутимое преимущество перед классическими системами. Они могут расширить существующие возможности, но чудес от них ожидать не приходится. В текущем столетии создание искусственного интеллекта на их основе или взлом банковских карт и криптокошельков представляются маловероятными. Следует проявлять осторожность: не стоит безоговорочно верить сенсационным заголовкам без тщательной проверки всей представленной информации.