Компания Google представила новый квантовый процессор Willow, который, по их утверждению, является первым в своем роде благодаря инновационной системе коррекции ошибок в реальном времени, которая превосходит точку безубыточности. Это значит, что Willow способен выполнять самые сложные задачи на решение которых даже самым мощным из существующих суперкомпьютеров потребовалось бы невероятные 10 септиллионов лет. Это число настолько велико, что его даже сложно представить – единица, за которой следует 25 нулей.
Квантовые компьютеры обладают огромным потенциалом благодаря использованию фундаментальных принципов квантовой механики. В отличие от классических компьютеров, оперирующих битами, квантовые системы используют кубиты. Благодаря таким физическим явлениям, как суперпозиция и запутанность, кубиты могут находиться в нескольких состояниях одновременно, что и обеспечивает экспоненциальный рост вычислительной мощности. Однако разработка стабильно работающих квантовых систем – чрезвычайно сложная задача. Кубиты крайне чувствительны к внешним воздействиям, и даже малейшие колебания температуры или электромагнитного излучения могут привести к декогеренции – потере квантовых свойств и, как следствие, к ошибкам в вычислениях.
Ключевой особенностью квантового процессора "Willow", помимо высокой скорости, является его точность. В классических квантовых системах увеличение числа кубитов, как правило, приводит к росту числа ошибок. Разработчикам чипа "Willow", состоящего из 105 кубитов, удалось преодолеть этот барьер. Для поддержания сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю, в лаборатории Google применяют специальные устройства – криостаты, минимизирующие взаимодействие кубитов с окружающей средой. Хартмут Невен, возглавляющий направление квантовых вычислений в Google, охарактеризовал "Willow" как первую "подпороговую" квантовую систему. Это означает, что точность вычислений не падает, а наоборот, возрастает с увеличением числа кубитов. В ходе испытаний, при масштабировании массивов кубитов от 3x3 до 7x7, инженеры Google фиксировали стабильное снижение уровня ошибок. Кроме того, система демонстрирует высокую скорость коррекции ошибок, обусловленную увеличенным временем когерентности массивов кубитов по сравнению с отдельными кубитами. Такой уникальный подход, обеспечивающий коррекцию ошибок в реальном времени, исследователи определяют термином "выход за точку безубыточности".
Инженеры Google используют устройства, называемые криостатами, чтобы поддерживать квантовые чипы вблизи абсолютного нуля и ограничивать обмен информацией с окружающей средой.
Наглядное превосходство "Willow" было продемонстрировано в сравнение с одним из мощнейших суперкомпьютеров в мире – Frontier. Самая сложная задача, невыполнимая для Frontier в обозримом будущем, для "Willow" – лишь пятиминутное упражнение. Впрочем, стоит отметить, что использованный для сравнения тест (Random Circuit Sampling, RCS) специально разработан для оценки производительности квантовых систем. Он создан таким образом, чтобы максимизировать нагрузку на квантовые компьютеры, оставляя классические далеко позади. Этот тест, ставший стандартом в индустрии, был предложен самими исследователями Google несколько лет назад. Ранее, в 2019 году, компания уже заявляла о чипе Sycamore, способном за три минуты выполнить расчет, на который у суперкомпьютера ушло бы 10 000 лет.
Результаты исследований квантового процессора "Willow" опубликованы в авторитетном научном журнале Nature. Google также предоставила открытый доступ к своему квантовому программному обеспечению, приглашая научное сообщество к совместной работе. В последнее время основное внимание инженеров Google было сфокусировано на классических вычислениях, необходимых для развития ИИ, однако квантовые технологии, по мнению Невена, способны кардинально изменить подход к искусственному интеллекту. Квантовые алгоритмы обладают значительно лучшей масштабируемостью и идеально подходят для работы с колоссальными по объему моделями ИИ. Кроме того, квантовые вычисления открывают беспрецедентные возможности в таких областях, как разработка новых лекарств и моделирование климатических изменений, где возможности классических компьютеров ограничены.
Лаборатория квантового искусственного интеллекта Google планомерно движется вперед, но "Willow" пока остается экспериментальной разработкой. Команда ставит перед собой амбициозную цель — осуществить первые практически значимые вычисления, превосходящие возможности классических компьютеров. Достижение этой цели может ознаменовать начало эры практического применения квантовых компьютеров в ближайшие годы, однако Google пока воздерживается от конкретных прогнозов.