Статья, вышедшая в среду в Nature, — уже вторая попытка Google возвестить на весь мир о технологической победе. Первый раз информация о том, что Google совершил прорыв в квантовых вычислениях, появилась в сентябре 2019 года на сайте NASA, но была быстро удалена. Однако публикацию заметили, и она быстро разошлась по специалистам, так что у ученых было много времени, чтобы разобраться, что же сделал Google, и подготовить ответ. Поэтому на сайте IBM еще 21 октября (на два дня раньше официальной публикации) уже был детальный анализ и альтернативные вычисления, опровергающие аргументы Google.
О чем поспорили Google и IBM
«Квантовое превосходство» (quantum supremacy), о котором говорится в заголовке статьи в Nature, — не художественный эпитет, наподобие «технологического прорыва» или «исторического свершения», а строгий научный термин. Его в 2012 году ввел в обращение один из крупнейших авторитетов в области квантовых вычислений, ученик Ричарда Фейнмана профессор Калифорнийского технологический института Джон Прескилл. Вот как сам Прескилл объясняет значение термина: квантовое превосходство — это «момент, когда квантовые компьютеры могут делать вещи, которые не могут делать классические компьютеры, независимо от того, полезные это вещи или нет». Другими словами, чтобы доказать «превосходство», исследователь должен предложить задачу сколь угодно искусственную, абстрактную и оторванную от практики, которую квантовый компьютер решит быстрее, чем самый быстрый на данный момент классический компьютер.
IBM занял в этом споре с Google позицию скептика именно потому, что самый быстрый суперкомпьютер на сегодня — IBM Summit. Скорость его вычислений составляет 200 петафлопс, емкость дискового пространства 250 петабайт. Более мощной системы на земле просто нет. Поэтому любой разработчик квантового компьютера, намеренный доказать «квантовое превосходство», должен ориентироваться именно на этот рубеж.
Это вовсе не значит, что IBM скептически относится к перспективам квантовых компьютеров, напротив — компания активно инвестирует в квантовые вычисления. Например, в январе 2019 года корпорация объявила о выпуске на рынок первого «полностью интегрированного универсального квантового компьютера». Таким образом, существует как минимум две причины, почему IBM не могла не принять заявление Google на свой счет и первой откликнулась на новость.
В своем блоге корпорация указала, что в расчетах Google есть ошибка: Summit посчитает ту же задачу за гораздо более короткий срок — не за 10 000 лет, а всего за 2,5 дня, и к тому же с гораздо большей надежностью. Все, что для этого нужно, — увеличить емкость дискового хранилища.
Почему объем памяти — один из ключевых параметров в этом сравнении? Расчет Google основан на том, что классический компьютер будет просто выполнять последовательно те же процедуры, что и квантовый, и на это ему действительно понадобились бы многие тысячи лет. Однако программисту классического компьютера ничто не мешает выстроить вычисление по-другому, сохраняя в памяти компьютера все состояние квантовой системы. Чем больше памяти используется, тем меньше промежуточных вычислений необходимо выполнить. При достаточно большом объеме памяти можно сохранить состояние всей квантовой системы за один раз. Именно в этом причины расхождений в расчетах: по мнению IBM, если соответствующим образом увеличить память классического компьютера, он выполнит предложенную задачу в полтора миллиона раз быстрее, чем это следует из расчета Google.
На сколько требуется для этого увеличить память IBM Summit? Этого IBM не указал. Более того, едва ли IBM сможет организовать практическую демонстрацию скорости решения этой задачи: каждый час суперкомпьютера Summit расписан надолго вперед, и у него не предвидится бесплатной работы. Поэтому придется поверить «Голубому гиганту» на слово: Google действительно ошибся. Однако так ли критична эта ошибка?
Было ли превосходство?
Несмотря на ошибку, сегодня можно сказать, что Google действительно достиг квантового превосходства в строгом смысле этого термина: программисты предложили задачу, пусть не имеющую практического смысла и носящую исключительно демонстрационный характер, которая не могла быть решена за приемлемое время на существующих компьютерных системах.
Надо понимать, что это превосходство временное: IBM, конечно же, смогла бы увеличить емкость памяти Summit, чтобы посчитать задачу за два дня. Нет сомнений, что классические системы будут совершенствоваться дальше, и следующий суперкомпьютер будет еще мощнее и с еще большим объемом памяти.
Однако такая гонка не может продолжаться бесконечно: чтобы суперкомпьютер мог продолжать соревноваться с квантовыми системами, емкость его памяти должна удваиваться каждый раз, когда к квантовой системе добавляется хотя бы один кубит. Сегодня квантовые системы Google и IBM содержат 53 кубита, и это рекорд для «универсальных» систем, то есть квантовых компьютеров, способных решать любую задачу. Следует отличать их от «квантовых симуляторов», каковыми являются существующие на рынке системы на базе квантового отжига с 2000 кубитов, например, производства компании D-Wave. При этом системы D-Wave не универсальны: они могут решать только один класс задач — поиск минимума заданной функции.
В настоящий момент классическому суперкомпьютеру, оспаривающему «квантовое превосходство», приходится соревноваться именно с 53-кубитными квантовыми системами. Однако добавление каждого нового кубита равносильно удвоению памяти классического компьютера, и очевидно, что исход этой гонки предрешен. Вот пример, который приводит один из ведущих экспертов в области квантовых компьютеров Скотт Ааронсон: «Summit занимает площадь, равную размеру двух баскетбольных полей…. К тому времени, когда появятся квантовые компьютеры на 70 кубитов, суперкомпьютер должен быть размером с город».
Зачем бороться за превосходство?
Если обратить внимание на вторую часть формулировки Прескилла, то можно понять, почему практического смысла от достижения «квантового превосходства» пока немного. В ближайшее время все громкие победы будут достигаться в очень абстрактных задачах, неприменимых в реальном мире. Более того, IBM заявляет, что вообще не обращает внимание на такой параметр, как «квантовое превосходство», и призывает общественность следовать этому подходу.
Важно помнить, что квантовые системы сегодня решают задачи, у которых даже корректно посчитанные результаты часто сложно интерпретировать. Пройдет еще много времени, прежде чем инженеры и математики научатся применять даже простые квантовые системы для решения реальных задач. Классическая задача будущих квантовых вычислений — взлом современных систем шифрования с помощью так называемого «алгоритма Шора» — требует процессора из сотен кубитов, и появление таких систем пока невозможно прогнозировать.
Однако это не означает, что работа Google была бесполезна. Присутствие одной из самых мощных IT-компаний мира на этом рынке, высокая конкуренция со стороны IBM, Microsoft, а также других компаний позволяет ожидать существенных прорывов в ближайшее время.
В первую очередь большие надежды возлагаются на одно из ключевых направлений — сохранение когерентности кубитов. Значительный прирост этого параметра позволит увеличить число кубитов в системах, что даст прирост в скорости. Уже при 60 кубитах вычислительная мощность будет сравнима с 33 системами Summit. А новые достижения математиков и инженеров позволят применять квантовые системы в решении реальных задач. Иначе зачем только в 2017 и 2018 годах индустрия квантовых компьютеров получила $450 млн инвестиций?