Это перевод статьи Михаила Дьяконова «The Case Against Quantum Computing», опубликованной в IEEE Spectrum 15 ноября 2018 года. Начало здесь.
Предлагаемая стратегия квантовых вычислений опирается на манипулирование с высокой точностью невообразимо огромным количеством переменных.
Огромное количество научной литературы, которая была издана о квантовых вычислениях, в значительной степени подтверждена экспериментальными исследованиями, описывающими фактическое оборудование. Относительно немного экспериментов, о которых сообщалось, было чрезвычайно сложно провести, и они должны вызывать уважение и восхищение.
Цель таких экспериментальных доказательств заключается в том, чтобы показать возможность проведения основных квантовых операций и продемонстрировать некоторые элементы разработанных квантовых алгоритмов. Количество кубитов, используемых для них, составляет менее 10, обычно от 3 до 5. По-видимому, переход от 5 кубитов до 50 (цель, поставленная группой экспертов ARDA в 2012 году) представляет определённые экспериментальные трудности, которые сложно преодолеть. Скорее всего, они связаны с простым фактом, что 2 в степени 5 = 32, а 2 в степени 50 = 1 125 899 906 842 624.
Напротив, теория квантовых вычислений, похоже, не сталкивается с какими-либо существенными трудностями при работе с миллионами кубитов. При изучении ошибок, к примеру, рассматриваются различные модели шума. Было доказано (при определённых предположениях), что ошибки, генерируемые «локальным» шумом, могут быть исправлены с помощью тщательно продуманных и очень изобретательных методов, включая, среди прочего, массивный параллелизм, причём многие тысячи вентилей применяются одновременно к различным парам кубитов и многие тысячи измерений выполняются одновременно.
Полтора десятилетия назад группа экспертов ARDA отметила, что «при определённых предположениях было установлено, что если бы была достигнута пороговая точность на операцию вентиля, квантовая коррекция ошибок позволила бы квантовому компьютеру осуществлять вычисления неопределённо долгое время». Ключевые слова: «при определённых допущениях». Однако эта группа выдающихся экспертов не рассматривала вопрос о том, могут ли эти допущения быть удовлетворены.
Я утверждаю, что не могут. В физическом мире непрерывные величины (будь то напряжения или параметры, определяющие квантовомеханические волновые функции) не могут быть точно измерены и обработаны. То есть точное значение некоторой величины, включая ноль, не может быть установлено. Для математика это может показаться абсурдным, но это неоспоримая реальность мира, в котором мы живём, как знает любой инженер.
Разумеется, дискретные значения, такие как количество учащихся в классе или количество транзисторов в состоянии «включено», могут быть точно известны. Но это не так для величин, которые постоянно меняются. И этот факт объясняет большую разницу между обычным цифровым компьютером и гипотетическим квантовым компьютером.
Действительно, все предположения, которые делают теоретики о переводе кубитов в заданное состояние, работе квантовых вентилей, надёжности измерений и т. д., не могут быть выполнены точно. К ним можно приблизиться только с некоторой ограниченной точностью. Итак, реальный вопрос: какая точность нужна? Какова точность, скажем, квадратного корня из 2 (это иррациональное число, которое входит во многие соответствующие квантовые операции), которая реализуется экспериментально? Что если это значение будет приблизительно равно 1.41 или 1.41421356237? Или нужна ещё большая точность? Удивительно, но нет чётких ответов на эти важные вопросы, но они даже никогда не обсуждались!
В то время как различные стратегии построения квантовых компьютеров изучаются в настоящее время, подход, который многие считают наиболее перспективным, первоначально был предпринят канадской компанией D-Wave Systems и в настоящее время реализуется в компаниях IBM, Google, Microsoft и других, основан на использовании квантовых систем взаимосвязанных джозефсоновских переходов, охлаждённых до очень низких температур (вплоть до около 10 милликельвинов).
Конечной целью является создание универсального квантового компьютера, который может превзойти обычные компьютеры при факторизации больших чисел с использованием алгоритма Шора, выполнении поиска в базах данных настолько же известным квантовым алгоритмом, разработанным Лоу Гровером в Bell Laboratories в 1996 году и другими специализированными алгоритмами, которые подходят для квантовых компьютеров.
На аппаратном уровне ведутся исследования, в которых недавно были разработаны и изучены чипы на 49 кубитов (Intel), на 50 кубитов (IBM) и на 72 кубита (Google). Конечный результат этой деятельности не совсем ясен, особенно потому, что эти компании не раскрыли детали своей работы.
Хотя я считаю, что такие экспериментальные исследования полезны и могут привести к лучшему пониманию сложных квантовых систем, я скептически отношусь к тому, что эти усилия когда-либо приведут к появлению практического квантового компьютера. Такой компьютер должен был бы манипулировать — на микроскопическом уровне и с огромной точностью — физической системой, характеризующейся невероятно огромным набором параметров, каждый из которых может принимать непрерывный диапазон значений. Могли ли мы когда-либо научиться управлять более чем 10 в степени 300 непрерывно изменяющихся параметрами, определяющими квантовое состояние такой системы?
Мой ответ прост. Нет никогда.
Я считаю, что, наоборот, хайп в отношении квантовых компьютеров близится к концу. Просто потому, что несколько десятилетий — это максимальная продолжительность жизни любого большого пузыря в технологии или науке. Через определённый период было сделано слишком много невыполненных обещаний, и каждого, кто следил за этой темой, начинает раздражать дальнейшие объявления о предстоящих прорывах. Более того, к этому времени все занимаемые должности преподавателей в этой области уже заняты. Апологеты стали старше и менее ревностны, в то время как молодое поколение ищет что-то совершенно новое и более вероятное.
Все эти проблемы, а также некоторые другие, о которых я не упоминал здесь, вызывают серьёзные сомнения в отношении будущего квантовых вычислений. Существует огромный разрыв между рудиментарными, но очень трудными экспериментами, которые были выполнены с несколькими кубитами, и чрезвычайно развитой теорией квантовых вычислений, которая опирается на манипулирование от тысяч до миллионов кубитов, чтобы вычислить что-нибудь полезное. Этот разрыв вряд ли будет закрыт в ближайшее время.
На мой взгляд, исследователи квантовых вычислений должны всё же прислушаться к предупреждению, которое физик IBM Рольф Ландауэр сделал несколько десятилетий назад, когда эта тема нагрелась в первый раз. Он настоятельно призывал сторонников квантовых вычислений включить в свои публикации следующий отказ: «Эта схема, как и все другие схемы квантовых алгоритмов, опирается на спекулятивную технологию, и в её нынешнем виде не учитывает все возможные источники шума, ненадёжность и ошибки подготовки, и, вероятно, не сработает».
Об авторе
Михаил Дьяконов проводит исследования в области теоретической физики в лаборатории Чарльза Кулона в Университете Монпелье во Франции. Его имя связано с различными физическими явлениями, из которых, возможно, самым известным являются поверхностные волны Дьяконова.