Квантовые компьютеры начинают приближаться к тому моменту, когда смоделировать их на классическом компьютере становится невозможно из-за невообразимой сложности квантовой системы. Последние достижения в области квантовых вычислений привели к появлению двух 53-кубитных процессоров: от группы IBM и от Google. Google описали своё устройство в препринте, который появился на сайте NASA и позже был удалён. В препринте также утверждалось, что устройство достигло “квантового превосходства” на определенной задаче и что современному суперкомпьютеру потребуется приблизительно 10 000 лет для выполнения эквивалентной задачи. Однако, в IBM решили проверить работу Google.
"Мы утверждаем, что идеальное моделирование одной и той же задачи может быть выполнено на классической системе за 2,5 дня и с гораздо большей точностью. Это на самом деле худшая оценка, и мы ожидаем, что с дополнительными уточнениями классическая модель может быть эффективнее"
— говорят исследователи IBM в своём блоге. Тем не менее, квантовый компьютер решил эту задачу быстрее, за несколько минут.
Что не так с алгоритмом Google?
Как мы писали ранее, это достижение "квантового превосходства" основано на выполнении случайной квантовой схемы большого размера, невозможной для моделирования на любом доступном классическим компьютером. В частности, препринт показывает вычислительный эксперимент над 53-кубитным квантовым процессором, который реализует впечатляюще большую квантовую цепь. Их оценка на классическое моделирования (10 000 лет) основана на наблюдении, что хранить всё состояние системы в оперативной памяти компьютера невозможно при использовании обычной симуляции (метод Шрёдингера), и поэтому необходимо использовать другой тип симуляции (метод Шрёдингера-Фейнмана).Концепция "квантового превосходства" демонстрирует уникальные для квантовых компьютеров ресурсы, такие как запутанность и суперпозиция (об этом мы писали здесь). Однако классические компьютеры обладают собственными ресурсами, такими как иерархия памяти и высокоточные вычисления в аппаратных средствах, различные библиотеки и обширная база алгоритмов, и важно использовать все эти средства при сравнении квантового компьютера с классическим.Когда Google моделировали свой процессор, они использовали, как считалось, самые передовые симуляции, которые задействуют параллелизм, быстрые и безошибочные вычисления и большую оперативную память. Однако, они не смогли полностью учесть ресурсы дискового хранилища. Симуляция IBM в стиле Шредингера использует как оперативную память, так и пространство на жестком диске для хранения и управления вектором состояния. Одним, словом они использовали все ресурсы, доступные сегодня на классическом компьютере.
Подход IBM к моделированию имеет ряд интересных, полезных свойств, которые не передаются напрямую из классического мира в квантовый. Например, после классического вычисления полный вектор состояния может быть получен произвольно много раз. Время выполнения их метода моделирования масштабируется приблизительно линейно с глубиной контура (см. рисунок выше), не накладывая никаких ограничений, такие как ограничения из-за конечных времён жизни кубитов. При этом, IBM утверждают, что лучшее классическое оборудование и оптимизация кода для более эффективного использования оборудования могут существенно ускорить моделирование.
Как следует воспринимать термин "Квантовое превосходство"?
Эксперимент Google — это отличная демонстрация прогресса в квантовых вычислениях на основе сверхпроводников, демонстрирующая возможности 53-кубитного устройства, но его не следует рассматривать как доказательство того, что квантовые компьютеры “превосходят” классические. В квантовом сообществе хорошо известно, что в IBM обеспокоены тем, как воспринимается термин “квантовое превосходство” — он неправильно понимается почти всеми (за пределами мира экспертов по квантовым вычислениям, которые могут поместить его в соответствующий контекст). Заголовок “Квантовое превосходство достигнуто” очень соблазнителен для печати, но он неизбежно вводит в заблуждение широкую общественность. Во-первых, потому, что цель не была достигнута по определению. Но более важно, потому что квантовые компьютеры никогда не будут царствовать над классическими, а, скорее, будут работать в согласии с ними, поскольку у каждого есть свои уникальные сильные стороны.По причинам, изложенным выше, IBM призывает всех рассматривать утверждения о том, что квантовый компьютер сделал впервые что-то, что классический компьютер не может, с большой дозой скептицизма из-за сложной природы самого эксперимента. Для того, чтобы квантовый компьютер положительно воспринимался в обществе, необходимо продолжать делать широко доступными всё более мощные программируемые квантовые вычислительные системы. Важно, что такие системы могут реализовать широкий спектр квантовых алгоритмов и программ, и, главное, любой может воспроизвести эксперименты. Это единственный путь вперед для создания практических решений, которые могут быть реализованы на квантовых компьютерах.