Объяснили: что такое квантовое превосходство?

Квантовое превосходство - это важная веха, которую долгое время искали в вычислительной технике, и теперь Google объявила о ее достижении. Взгляд на науку, лежащую в основе концепции, и на то, что было действительно достигнуто и сколько еще осталось.

Компонент квантового компьютера Google в лаборатории Санта-Барбары, Калифорния, США. (Фото через Reuters)

На этой неделе Google объявил о достижении прорыва под названием квантовое превосходство в вычислениях. Что это значит и почему это важно?

Итак, что такое квантовое превосходство?

Это термин, предложенный в 2012 году Джоном Прескиллом, профессором теоретической физики Калифорнийского технологического института. Он описывает точку, в которой квантовые компьютеры могут делать то, что не могут делать классические компьютеры. В случае с Google исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре заявили, что разработали процессор, который выполнял вычисления за 200 секунд, на которые классическому компьютеру потребовалось бы 10 000 лет.

Но что такое квантовый компьютер?

Наши традиционные компьютеры работают на основе законов классической физики, в частности, используя поток электричества. Квантовый компьютер, с другой стороны, стремится использовать законы, управляющие поведением атомов и субатомных частиц. В этом крошечном масштабе многие законы классической физики перестают применяться, и в игру вступают уникальные законы квантовой физики.

Создание такого компьютера было целью ученых на протяжении почти четырех десятилетий. В 1981 году физик Ричард Фейнман писал: «Попытка найти компьютерную симуляцию физики кажется мне отличной программой для реализации ... Природа не является классической ... и если вы хотите создать симуляцию Природы, вам лучше сделать его квантово-механическим, и, черт возьми, это замечательная проблема, потому что это не выглядит так просто.

Какая разница будет иметь такое моделирование?

Речь идет о скорости обработки. Давайте посмотрим, как классический компьютер обрабатывает информацию. Биты информации сохраняются как 0 или 1. Каждая строка таких цифр (битовые строки) представляет собой уникальный символ или инструкцию; например, 01100001 представляет собой строчную букву a.

В квантовом компьютере информация хранится в квантовых битах или кубитах. А кубит может быть одновременно 0 и 1. Квантовая физика включает в себя концепции, которые даже физики называют странными. В отличие от классической физики, в которой объект может существовать в одном месте в одно время, квантовая физика рассматривает вероятность нахождения объекта в разных точках. Существование в нескольких состояниях называется суперпозицией, а отношения между этими состояниями - сцеплением.

Чем больше количество кубитов, тем больше в них хранится информация. По сравнению с информацией, хранящейся в том же количестве битов, информация в кубитах растет экспоненциально. Вот что делает квантовый компьютер таким мощным. И все же, как писал Прескилл из Калифорнийского технологического института в 2012 году, создание надежного квантового оборудования является сложной задачей из-за сложности точного управления квантовыми системами.

Сундар Пичаи с одним из квантовых компьютеров Google в лаборатории Санта-Барбары, Калифорния, США. (Фото через Reuters)

Это то, чего добился Google?

Исследователи продемонстрировали, на что способен квантовый компьютер. Они построили архитектуру из 54 кубитов с помощью Sycamore, квантового компьютера Google. Хотя один из них не работал, остальные 53 кубита были запутаны в состоянии суперпозиции.

Команда составила случайную последовательность из около 1000 операций. Каждый раз, когда они затем запускали этот случайный алгоритм, квантовый компьютер создавал цепочку битов.

Теперь некоторые строки битов более вероятны, чем другие, и можно определить, какие из них более вероятны. Однако чем сложнее случайная квантовая схема, тем сложнее классическому компьютеру идентифицировать более вероятные битовые строки - и сложность возрастает в геометрической прогрессии. Превосходство было достигнуто, когда они продемонстрировали, что квантовому процессору потребовалось всего 200 секунд для вычисления сверхсложного случайного алгоритма, в то время как самому быстрому суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет, говорится в электронном письме Google.

Читайте также | Квантовое превосходство в вычислениях: испытания пройдены, до реального использования еще далеко

Итак, что хорошего в этом?

Нет, с точки зрения практического применения. Выполненная задача не является особо важной для этой вехи; В электронном письме от Google говорится, что это гораздо больше о том, что эта веха произошла. В качестве аналогии он привел братьев Райт: для демонстрации того, что авиация возможна, не имело большого значения, куда самолет направлялся, где он взлетал и приземлялся, а то, что он вообще мог летать.

Все убеждены?

IBM оспорила утверждение Google о том, что его квантовые вычисления не могут быть выполнены на традиционном компьютере. В своем блоге IBM заявила, что вычисления, описанные исследователями Google, могут быть выполнены на существующем компьютере менее чем за два с половиной дня, а не за 10 000 лет.

Кстати, сама IBM заявила в четверг о прорыве в квантовых вычислениях. Ее исследователи совершили прорыв в управлении квантовым поведением отдельных атомов, продемонстрировав новый универсальный строительный блок для квантовых вычислений, говорится в сообщении IBM на своем веб-сайте. Статья опубликована в журнале Science. Исследование Google публикуется в журнале Nature.

Не пропустите из объясненного | Душьянт Чаутала: старше своего возраста, этот 31-летний «будда» общается со всеми

Что дальше?

Ученые стремятся улучшить свою работу, включая обнаружение и исправление ошибок. Калифорнийский университет в Санта-Барбаре отметил, что в ходе исследования уже был получен вполне реальный инструмент для генерации случайных чисел. Случайные числа могут быть полезны в различных областях, включая защиту зашифрованных ключей от дешифрования, что может стать потенциально сложной проблемой для правительств.

Квантовые компьютеры могут однажды привести к огромному прогрессу в научных исследованиях и технологиях. Среди областей, которые могут выиграть, - искусственный интеллект и новые лекарственные препараты. Однако до всего этого еще далеко.

ПОДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ: