Квантовое превосходство: мифы, реальность и квантовые вычисления
4
0
Квантовые вычисления и квантовые чипы являются одной из самых обсуждаемых тем в сфере технологий уже более десятка лет. Несмотря на то что большинство людей не понимает, что из себя представляют квантовые компьютеры и каковы их реальные возможности, число заинтересованных в этой области людей продолжает расти. По мере того как теория воплощается в практику и инженеры сталкиваются с новыми проблемами, требования к «квантовости» устройств становятся всё более завышенными, а понимание достижений — всё более смутным.
Многие не осознают, почему квантовые вычисления важны и что именно они могут предложить. Это вполне объяснимо — большинство людей также не понимают, что такое холодный синтез, но это не мешает им видеть в нём потенциальную пользу. Всем рассказали, что квантовые компьютеры могут решить сложнейшие задачи, и для многих этого достаточно. Однако в реальности проблема гораздо глубже, и даже профессионалы пока не пришли к единому мнению о том, что же является настоящим доказательством «квантовости» системы.
Вопросы квантовости
На первый взгляд, ответ на вопрос о том, что делает систему квантовой, кажется простым: достаточно найти задачу, которую классические компьютеры не могут решить, а квантовый компьютер способен. Например, можно взять два больших простых числа, умножить их, а затем попытаться разложить полученное произведение обратно на множители — задача, которую большинство считает непосильной для классических машин.
Но этот подход сталкивается с рядом проблем. Во-первых, современные квантовые чипы слишком малы, чтобы решить задачи, которые классическим компьютерам пока недоступны. Например, чтобы применить алгоритм Шора на числах, которые невозможно легко разложить на множители с помощью обычного компьютера, требуется гораздо больше кубитов, чем есть на данный момент.
Во-вторых, даже если бы мы могли решить задачу факторизации с помощью квантового чипа, сам процесс проверки результатов оказывается намного сложнее. Генерация случайных чисел и их факторизация могут быть легко подделаны. Например, человек может «доказать» наличие квантового компьютера, показывая список чисел и их разложения, но на самом деле эти числа могли быть сгенерированы с помощью классического алгоритма. Это делает процесс верификации ненадежным.
Квантовое тестирование: трудности и подходы
Доказательство «квантовости» выходит за рамки простого нахождения трудной задачи для классического компьютера. Необходимо, чтобы задача была не только трудной для классических машин, но и чтобы её результат был проверяемым и не поддающимся подделке. Например, квантовые алгоритмы должны генерировать такие ответы, которые можно проверить с помощью классических вычислений, но которые при этом невозможно подделать в процессе проверки.
Одним из подходов к решению этого вопроса является использование случайных квантовых цепочек. Например, можно генерировать случайную квантовую схему, выполнить её на случайном входе и многократно повторить это с различными входами. Вероятностное распределение, которое возникает в результате таких измерений, должно быть настолько сложным, что классическим компьютерам будет крайне трудно его воспроизвести.
Однако на практике эти задачи гораздо сложнее, чем кажется. Даже самые успешные эксперименты, такие как тот, что провела команда Google, показали, что истинность полученных результатов поддается сомнению. Например, в одном из экспериментов Google был получен XEB (кросс-энтропийный бенчмарк) около 0.0015, что было заявлено как доказательство квантовости. Однако вскоре исследователи из Университета Пекина смогли значительно улучшить эти результаты, используя классические вычисления на GPU.
Сложность создания надежных квантовых чипов
Одной из главных трудностей при разработке квантовых компьютеров является шум, который неизбежен в квантовых системах. Современные методы квантовой коррекции ошибок требуют наличия большого числа кубитов, но на практике их крайне мало, что делает их использование проблематичным. Как же можно проверять результаты, полученные с шумными кубитами? Это вопрос, над которым сейчас работают ведущие исследователи в области квантовых вычислений.
Квантовое превосходство и реальность
Таким образом, квантовое превосходство, как его понимают многие, — это скорее не просто достижение определённого технического рубежа, а набор требований, которые должны быть выполнены для того, чтобы доказать настоящую «квантовость» системы. На сегодняшний день существует множество заявлений о прорывах в квантовых вычислениях, но большинство из них базируются на статистике, которая поддается манипуляциям. Например, эксперимент Google с чипом Sycamore был объявлен «квантовым превосходством», но его результаты вскоре были оспорены.
Заключение: осторожность и прогресс
Квантовые вычисления — это ещё довольно молодая и неизведанная область, и хотя её достижения порой действительно впечатляют, важно помнить, что мы ещё далеки от полного понимания того, как оценивать и проверять «квантовость» вычислительных систем. Вместо того чтобы опережать время и строить далеко идущие прогнозы, нужно внимательно следить за развитием технологий, не торопясь с их внедрением, пока все эти вопросы не получат окончательные ответы.
Пока квантовое превосходство не стало повседневной реальностью, стоит воспринимать все заявления о революционных достижениях с должной осторожностью и критическим подходом.
