Физический механизм квантового преимущества

Классический компьютер хранит информацию в битах. Каждый бит всегда находится строго в одном из двух взаимоисключающих состояний: ноль или единица. Физически это логический вентиль транзистора, где напряжение либо есть, либо отсутствует. Регистр из 50 классических битов в каждый отдельный момент времени содержит ровно одну 50-значную комбинацию нулей и единиц.

Квантовый процессор оперирует квантовыми битами, или кубитами. Кубит представляет собой квантовую двухуровневую систему, способную находиться в состоянии суперпозиции. Состояние кубита описывается линейной комбинацией базисных векторов пространства состояний, помноженных на комплексные амплитуды вероятности. Регистр из 53 кубитов хранит одновременно суперпозицию всех двух в степени 53 возможных состояний. Это примерно девять квадриллионов комбинаций, которые процессор преобразует за один такт с помощью унитарных преобразований.

Решающее значение имеет квантовая запутанность. При взаимодействии кубитов между ними формируются сильные квантовые корреляции, из-за чего состояние всей системы невозможно представить в виде математического произведения состояний отдельных компонентов. Масштаб пространства состояний растёт экспоненциально с каждым новым добавленным кубитом. Классическому компьютеру для расчёта такого регистра приходится перемножать матрицы астрономических размеров, что упирается в ограничения по объёму оперативной памяти и тактовой частоте процессоров.

Эксперимент Google 2019 года на процессоре Sycamore

Термин квантовое превосходство ввёл физик-теоретик Джон Прескилл в 2012 году. Осенью 2019 года исследовательская группа Google Quantum AI под руководством Джона Мартиниса опубликовала в журнале Nature статью о первом экспериментальном достижении этого рубежа на 54-кубитном сверхпроводниковом процессоре Sycamore, один кубит которого вышел из строя.

Для демонстрации выбрали задачу семплирования случайных квантовых цепочек (Random Circuit Sampling). На 53 рабочих кубитах запускали случайную последовательность однокубитных и двухкубитных логических вентилей. В результате интерференции амплитуд вероятностей на выходе формировалось сложное распределение Портера — Томаса, где одни битовые строки появлялись с заметно большей вероятностью, чем другие. Задача заключалась в генерации миллиона измерений из этого специфического распределения.

  • Процессор Sycamore выполнил генерацию выборки за 200 секунд, сделав миллион повторных прогонов цепочки с фиксацией результатов на криогенных считывающих линиях.
  • Классический суперкомпьютер Summit из Ок-Риджской национальной лаборатории, оснащённый почти сорока тысячами ядер IBM POWER9 и GPU NVIDIA Volta, по расчётам авторов эксперимента, решал бы эту же задачу методом прямого моделирования Шрёдингера около десяти тысяч лет.
  • Уровень точности считывания конечного квантового состояния составил порядка 0,2 процента, чего оказалось достаточно для подтверждения статистической достоверности результата тестом кросс-энтропии.

Зачем нужно доказывать превосходство на практике

Задача семплирования случайных цепочек не имеет прямой промышленной пользы, однако сам факт её выполнения закрывает десятилетия теоретических споров. Эксперимент подтвердил отсутствие фундаментальных барьеров физики, запрещающих квантовую когерентность при переходе от микроскопических систем к многочастичным ансамблям.

Проверка границ квантовой механики

Среди физиков существовала гипотеза, что квантовая механика ломается в сложных макросистемах из-за скрытых нелинейных эффектов или гравитационных воздействий. Успех эксперимента Sycamore доказал справедливость квантовых законов для гильбертова пространства размерностью два в степени 53. Математический формализм, разработанный в первой половине двадцатого века, продолжает работать для систем высокой размерности.

Тестирование физической архитектуры кубитов

Реализация эксперимента потребовала создания уникального стека технологий. Инженеры научились поддерживать температуру около 20 милликельвинов внутри рефрижератора растворения, изолировать джозефсоновские переходы от электромагнитных шумов и управлять микроволновыми импульсами с наносекундной точностью. Без доказательства превосходства разработчики не получили бы калибровочные данные, необходимые для дальнейшего конструирования логических кубитов с коррекцией ошибок.

Ответ классических суперкомпьютеров и алгоритмов

После публикации результатов Google компания IBM оспорила утверждение о десяти тысячах лет. Исследователи IBM показали, что суперкомпьютер Summit способен решить ту же задачу за два с половиной дня при сохранении промежуточных волновых функций на огромном массиве жёстких дисков объёмом 250 петабайт. Это сократило временной разрыв, сохранив преимущество чипа Sycamore по энергоэффективности и скорости.

В 2021 году китайские исследователи из Института теоретической физики Китайской академии наук разработали методы на основе сжатия тензорных сетей. Алгоритм позволил симулировать выборки Sycamore на кластере из нескольких сотен видеокарт за десятки часов. Граница квантового превосходства постоянно сдвигается, стимулируя математиков улучшать классические приближённые вычисления.

В ответ китайская группа физиков под руководством Пань Цзяньвэя продемонстрировала превосходство на других физических платформах. Фотонный процессор Jiuzhang в задаче бозонного семплирования обогнал классические алгоритмы на порядки сильнее, а сверхпроводниковый процессор Zuchongzhi 2.1 с 66 кубитами увеличил вычислительную сложность случайных цепочек на шесть порядков по сравнению с Sycamore.

Частые вопросы

В чём разница между квантовым превосходством и квантовой выгодой?

Превосходство означает формальную победу квантового процессора над классическим в любой, даже полностью синтетической задаче. Квантовая выгода (quantum advantage) подразумевает практическую ценность вычислений: моделирование новых лекарств, оптимизация логистических цепочек или расчёт химических катализаторов быстрее и дешевле классических машин.

Почему квантовые процессоры не заменят обычные серверы и ПК?

Квантовые архитектуры требуют сверхнизких температур, громоздких экранов от радиации и сложной лазерной или микроволновой обвязки. Они не предназначены для последовательной обработки общих команд операционной системы, работая как узкоспециализированные ускорители математических матриц.

Что такое эра NISQ, в которой сейчас находятся квантовые вычисления?

Аббревиатура расшифровывается как Noisy Intermediate-Scale Quantum — шумные квантовые системы промежуточного масштаба. Эти процессоры содержат от 50 до 1000 физических кубитов, лишены полноценной квантовой коррекции ошибок и быстро теряют когерентность под действием внешних помех.

Как квантовое превосходство угрожает криптографии RSA?

Текущие эксперименты по случайному семплированию не угрожают RSA. Для взлома 2048-битного ключа по алгоритму Шора требуется квантовый компьютер с несколькими тысячами логических кубитов, защищённых от ошибок, что эквивалентно миллионам физических кубитов текущего поколения.