“Hello world”: что эксперимент Google значит для квантово-компьютерного мира

Основная надежда на квантовые компьютеры заключается в том, что они смогут решать определенные очень сложные вычислительные задачи экспоненциально быстрее классических компьютеров. Юрием Маниным и Ричардом Фейнманом еще в начале 80-х годов были высказаны идеи о том, что моделирование квантовых физических процессов эффективно может быть выполнено только с помощью компьютеров на основе принципов квантовой механики. Предполагалось, что применение обычных процессоров для расчета даже простейших квантово-механических систем требует колоссального количества вычислительных ресурсов и времени (десятки, сотни тысяч лет), что делает задачу нерешаемой. Квантовому компьютеру доступны элементы эффективного и быстрого управления квантовыми эффектами – запутывание, суперпозиция и интерференция – которые могут быть задействованы для анализа огромного вычислительного пространства.  

Иначе говоря, квантовое превосходство – это граница, за пределами которой квантовый компьютер может делать вещи, которые не под силу классическому компьютеру.  

Именно. Эксперимент по демонстрации квантового превосходства является концептуальным доказательством эффективности квантовых компьютеров. Дело в том, что с увеличением количества квантовых битов (кубитов) в квантовом процессоре, его пространство состояний растет экспоненциально, в отличие от линейного роста для классического компьютера. Поэтому расчет на современном суперкомпьютере результатов выполнения даже относительно малого количества квантовых операций (430 двухкубитных и 1113 однокубитных операций) при небольшом количестве кубитов (53 кубита) становится невычислимым в любой разумный период времени. Такой режим работы и называют квантовым вычислительным превосходством.  

Прорыв Google поистине стал новой вехой в истории квантовых вычислений и сверхпроизводительных вычислений в целом. Сравнить по значимости его можно, пожалуй, с высадкой человека на Луну (не случайно Джон Мартинис в своей презентации использовала знаменитое фото Нила Армстронга) или первым полетом братьев Райт, открывших возможности полетов человека на аппаратах тяжелее воздуха. И дело даже не в том, насколько быстрее были проведены вычисления, а в том, что была продемонстрирована принципиальная возможность проведения управляемых вычислений на квантовом процессоре столь «большого» масштаба. Пусть на сегодня демонстрация компании Google еще и очень далека от решения каких-либо практически применимых задач.  

С одной стороны, может показаться, что 53 кубита в схеме не так уж и много, но такая система уже позволяет оперировать практически недоступным современным суперкомпьютерам пространством состояний (речь о 253 состояниях). До настоящего момента ряд теоретических команд высказывали и продолжают высказывать предположения о невозможности функционирования больших искусственных квантовых систем в силу принципиальных физических ограничений. Публикация в Nature (Arute, F. et al. Nature 574, 505–511, 2019) команды Google экспериментально продемонстрировала достижение квантового превосходства именно на сверхпроводниковом 53-кубитном квантовом процессоре Sycamore. 

Чип Sycamore – квантовый сверхпроводниковый процессор Google – включает 54 кубита-трансмона (один кубит схемы был бракованным) с индивидуальным управлением и 86 соединительными элементами, которые обеспечивают управляемое (вкл/выкл) парное взаимодействие кубитов-соседей, а также одновременное считывание всех кубитов с разделением по частоте. Такие чипы изготавливаются по технологии, использующей концептуально те же технологические операции, что и при производстве современных полупроводниковых процессоров. 

Командой Мартиниса также разработаны не менее сложные системы охлаждения чипов до температур почти абсолютного нуля по Кельвину, системы экранирования и фильтрации сигналов, специальная СВЧ-электроника и, конечно, сложнейший софт управления, периодической калибровки параметров квантовой и электронной системы, как и выполнения квантовых логических операций и алгоритмов. Вдумайтесь, только для управления процессором Sycamore используются 277 специализированных цифро-аналоговых преобразователей, спроектированных под эту задачу. В реализованном алгоритме Sycamore обрабатывает параллельно 253 состояния – то есть аномальное количество в десять миллионов миллиардов состояний. 

Генерация случайных чисел. По сути это выборка (семплинг) выходной последовательности псевдослучайной квантовой схемы. Алгоритм заключается в выполнении определенного количества циклов, в каждом из которых реализуются квантовые логические операции над каждым кубитом 53-кубитной схемы. Причем набор операций внутри одного цикла включает случайные однокубитные и заранее определенные двухкубитные операции. При совместной работе каждая однокубитная и двухкубитная логическая операция выполнялась с точностью порядка 99-99,9% – это мера качества выполнения логических операций (показатель, насколько они отличаются от идеальных 100% операций). Результат определяется в итоге путем измерения состояний каждого из кубитов. 

Задача была выполнена в три этапа: генерация последовательности квантовых логических операций (однокубитных и двухкубитных), многократное выполнение этой последовательности на 53-кубитном квантовом процессоре с усреднением вероятностей результатов и проверочное моделирование проделанной работы с помощью классического компьютера. Далее сложность выполняемой исходной последовательности (количество циклов) начинают увеличивать, и в определенный момент (>20 циклов) вычислительной мощности классического компьютера попросту не хватает – здесь наступает квантовое превосходство. 

По оценке Google, чтобы произвести эти расчеты одному из самых мощных классических суперкомпьютеров мира Summit в Oak Ridge National Laboratory (США) понадобилось бы 10 тысяч лет. При этом он включает 40000 процессоров (с миллиардами транзисторов каждый) с 250 миллионами гигабайт памяти и способен выполнять до 200 миллионов миллиардов операций в секунду. При тестовых расчетах нагрузка на процессор составила более 99% всех его мощности.

IBM полагают, что операцию, которую выполнял Sycamore, обычный бинарный компьютер просчитал бы за 2,5 дня, а не 10 тысяч лет, как указано в статье Nature. Причем, как утверждается, даже с большей точностью, чем квантовый процессор Google. Коллеги из IBM ссылаются на то, что ребята из Санта-Барбары пользовалась неоптимизированным классическим алгоритмом и предложила свой.

Кстати, по поводу оптимизации: очень часто такие крупные и наукоемкие проекты, как, например, квантовый, сопровождаются появлением множества спин-оффов в виде полезных человечеству решений. Так было с атомным проектом, освоением космоса, этого же мы ждем и от квантовых технологий. Сегодня на нескольких примерах стало очевидно, что многие классические алгоритмы не оптимальны и могут быть ускорены в десятки и сотни раз, а подталкивает нас задуматься над этим именно гонка с квантовыми машинами. 

Конечно, нет. По различным оценкам, до создания практически применимого квантового компьютера или симулятора пройдет еще не менее 5-20 лет: оценки сильно разнятся. Но для многих сегодня уже очевидно, что это направление гарантированно приведет к серьезным открытиям и прорывным разработкам в области искусственного интеллекта, персонифицированной медицины, создания новых лекарств, национальной безопасности, новых материалов, новых источников энергии и средств передвижения. 

Эта работа требует планомерной, серьезной и последовательной междисциплинарной работы. Речь идет о невероятно ресурсоемких исследованиях, поскольку конечный результат требует собрать воедино последние достижения микроэлектроники, нанотехнологий, современной физики, СВЧ- и криогенной техники, средств математического моделирования, облачных технологий, системного и прикладного программного обеспечения. А это не только оборудование лучших мировых производителей, новейшие технологии и инфраструктура, но и, самое главное, большая единая команда профессионалов во многих направлениях науки и техники. Для России сегодня это глобальный вызов и национальная задача – подобно новому атомному проекту. 

На данный момент в нашей стране разрабатываются два ключевых квантовых проекта: один на сверхпроводящих кубитах, а второй включает реализации на нейтральных атомах и линейно-оптических схемах. Для каждого из направлений собрана уникальная команда исполнителей, включая ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» ГК Росатом, МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГУ им. М.В. Ломоносова, МИСиС, ИФТТ РАН, МФТИ, ИФП СО, ФТИ, РКЦ и НГТУ. Центр «Функциональные Микро/Наносистемы» является технологическим исполнителем этих проектов – производителем интегральных вычислительных устройств квантовой обработки информации.  

Нами разработаны уникальные технологии серийного изготовления сверхпроводящих кубитов на основе суб-100нм джозефсоновских переходов, сверхвысокодобротных СВЧ-резонаторов, интегральных многокубитных квантовых схем, параметрических криогенных усилителей и интегральных линейно-оптических схем. Параметры отдельных элементов квантовых сверхпроводниковых схем превосходят мировой уровень, но конечно многое еще должно быть сделано для реализации квантовых процессора аналогичного Sycamore. 

В 2019 году на базе нашей технологии в РФ создан первый квантовый процессор, продемонстрирован полный набор логических операций и реализован квантовый алгоритм Гровера.