Когда речь заходит о квантовых компьютерах, принято говорить, что рано или поздно они заменят традиционные, то есть все то, что начиняет наши смартфоны, лаптопы, планшеты, автомобили и суперкомпьютеры NASA. Почему? Потому что квантовые компьютеры способны работать значительно быстрее. Но откуда известно, что они будут работать быстрее? Как ни странно, на этот вопрос у исследователей не было однозначного ответа.
Вычислительные ячейки существующих квантовых компьютеров — кубиты. Чтобы производить вычисление, они должны находиться в состоянии когерентности, то есть согласно законам квантовой механики принимать одновременно несколько состояний. Число состояний растет экспоненциально с увеличением количества кубитов. Это и позволяет надеяться, что квантовые компьютеры будут работать на порядки быстрее традиционных вычислительных машин, если удастся втиснуть в них достаточное число кубитов. Но в нынешних прототипах квантового компьютера число кубитов обычно ограничивается несколькими десятками, и в таких условиях «квантовую прибавку» к скорости вычисления обнаружить не так уж просто.
В качестве примера быстродействия квантового компьютера нередко приводят «алгоритм Шора». Современные системы компьютерного шифрования основаны на разложении очень большого числа на множители. Дело в том, что классический компьютер легко перемножает огромные числа, а вот обратная операция — разложение на множители — для него очень сложна. Для 250-значного числа это потребует 800 000 лет вычислений, что и гарантирует безопасность существующих шифров. Однако в 1994 году Питер Шор предложил алгоритм, с помощью которого квантовый компьютер может разлагать числа на множители так же быстро, как и перемножать.
Но значит ли это, что квантовый компьютер принципиально быстрее? Разумеется, нет. Один пример — еще не доказательство, к тому же нелогично сравнивать один хороший (квантовый) алгоритм с другим плохим (классическим). Нельзя исключать, что в один прекрасный день какой-то гениальный математик предложит классический алгоритм, который справится с разложением на множители так же легко, как и алгоритм Шора.
Группа исследователей из IBM и европейских университетов поставили задачу: доказать, что при некоторых условиях квантовый компьютер всегда будет быстрее классического по принципиальным причинам. Эта задача была решена Сергеем Бравым из IBM Research, Дэвидом Госсетом из Института квантовых вычислений Университета Ватерлоо и Робертом Кенигом из Института перспективных исследований в Мюнхене. Они опубликовали в журнале Science работу под названием «Квантовое преимущество в неглубоких цепях», доказывающую, что квантовый компьютер может обогнать классический при определенных условиях.
Быстродействие квантового компьютера может сколь угодно превышать быстродействие классического при выполнении той же задачи.
Что подразумевают авторы под «неглубокими цепями»? Дело в том, что состояние когерентности кубита легко нарушается внешними причинами, — например, теплом окружающего мира. В современных квантовых компьютерах кубиты охлаждены до сверхнизких температур, но все равно способны поддерживать когерентность лишь очень короткое время.
Временем когерентности ограничивается число выполняемых операций — это называется «глубиной вычислений». С помощью квантового компьютера сегодня можно решать задачи только с малой глубиной, поэтому такие задачи и представляют самый большой интерес для теоретиков квантовых вычислений. Именно в этой области интересно поискать «квантовое преимущество», чем и занялись авторы статьи. И нашли его.
Ученые доказали, что для некоторых типов задач глубина вычислений на квантовом компьютере остается фиксированной, даже когда объем начальных данных — число «входных» кубитов — неограниченно увеличивается. На классическом компьютере в таких условиях глубина неизбежно будет возрастать. А это значит, что начиная с некоторого объема исходных данных квантовый компьютер заведомо решит задачу быстрее, тем самым реализуя квантовое превосходство. Подробнее об этой математической работе можно прочитать на сайте IBM. Таким образом, наконец-то доказано общее математическое утверждение: при определенных условиях быстродействие квантового компьютера может сколь угодно превышать быстродействие классического при выполнении той же задачи.
Пока инвестировать в исследование квантовых вычислений без гарантий результата могут позволить себе только такие крупные компании, как Google, IBM и некоторые другие. Так, в мае 2016 года IBM подключила прототип 5-кубитного компьютера к Глобальной сети. Кроме того, была создана платформа IBM Q Experience, на которой уже более 100 000 человек попробовали себя в создании алгоритмов для квантовых вычислений с помощью открытого кода Qiskit.
Квантовый компьютер IBM — далеко не самая мощная квантовая вычислительная система: в Гарварде научная группа российского ученого Михаила Лукина уже создала 51-кубитную систему. Гарвардский «компьютер» и подобные ему проекты не являются квантовыми компьютерами в точном смысле слова — это всего лишь квантовые симуляторы, способные осуществлять лишь один определенный тип вычислений. Тем не менее накопленный инженерный опыт сегодня позволяет поддерживать кубиты в когерентном состоянии уже достаточно долго, и, по мнению экспертов, прорыва в квантовых вычислениях можно ожидать в ближайшее десятилетие.
Примечание: текст статьи был изменен 20.10.2018 г. В первоначальном тексте содержание научной работы было изложено не вполне корректно.