Колко кюбита са нужни за квантово превъзходство?

Квантов компютър с 300 кюбита би могъл теоретично да извърши за един миг повече изчисления, отколкото са атомите във видимата вселена
(снимка: CC0 Public Domain)

Квантовите компютри на теория биха могли да се окажат по-мощни от всеки суперкомпютър. Сега обаче учените се чудят какво точно е нужно, за да може квантовите компютри наистина да постигнат „квантово превъзходство” – израз, който една от големите технологични компании използва миналата година, за да опише успеха на собствената си разработка на квантов компютър. Този израз, разбира се, вбеси конкурентите, които също разработват квантови компютри.

Докато класическите компютри включват или изключват транзистори, за да боравят с данните под формата на единици или нули, квантовите компютри използват квантови битове – кюбити, които поради странната природа на квантовата физика могат да бъдат в състояние на „суперпозиция” – едновременно и единица, и нула.

Суперпозицията позволява на един кюбит да изпълнява две изчисления едновременно. Ако два кюбита бъдат свързани чрез квантов ефект, известен като „заплитане”, те могат да помогнат да се извършат 2² изчисления едновременно. Три кюбита могат да извършат 2³ изчисления, четири кюбита – 2⁴ изчислителни задачи едновременно и т.н. По принцип квантов компютър с 300 кюбита би трябвало да може да извърши в един миг повече изчисления, отколкото са атомите във видимата вселена.

Остава спорно колко кюбита са необходими, за да се постигне „квантово превъзходство” над стандартните компютри. Миналата година Google обяви, че е постигнала „квантово превъзходство” със само 53 кюбита. Нейният квантов компютър бе изчислил за 200 секунди задача, която – според компанията – ще отнеме на най-мощния суперкомпютър в света около 10 000 години. Ала изследователите от IBM скоро заявиха в блога си, че „идеалното моделиране на същата задача може да се извърши на класическа компютърна система за 2,5 дена и с много по-голяма точност”.

За да разберат какво всъщност е нужно за квантово превъзходство, изследователи са анализирали три различни начина, по които квантовите схеми могат да решават задачите, смятани теоретично за неразрешими от конвенционалните компютри. За изследването разказва Spectrum изданието на IEEE. Учените представиха за първи път заключенията си онлайн на 17 април в проучване, публикувано в сп. Quantum.

Моментните квантови полиномно-времеви схеми (IQP) са особено лесен начин за свързване на кюбитите в квантови схеми. Схемите с алгоритъм за квантова приблизителна оптимизация (QAOA) са по-усъвършенствани и използват кюбити за намиране на добри решения за оптимизиране на задачите. Освен тях има и вериги с бозонно изпробване, които използват фотони вместо кюбити, анализирайки траекториите, които фотоните възприемат, след като взаимодействат помежду си.

Ако приемем, че тези квантови схеми се конкурират със суперкомпютрите, способни да изпълняват до квинтилион (10^18) операции с плаваща запетая в секунда, изследователите са изчислили, че „квантовото превъзходство” може да се постигне с помощта на 208 кюбита при IQP веригите, с 420 кюбита при QAOA веригите и с 98 фотона при бозонните вериги.

„Аз съм малко изненадан, че ние в крайна сметка сме в състояние да получим число, което не е чак толкова далеч от тези числа, които виждаме във вече съществуващите устройства”, казва водещият автор на изследването Александър Далзел, квантов физик от Калифорнийския технологичен институт в Пасадена. „Първият подход, който предложихме, щеше да се нуждае от 10 000 или повече кюбита, а вторият подход можеше да сработи с 2000. Накрая, с третия подход ние успяхме да премахнем голяма част от излишъците в нашия анализ и да сведем цифрите до стотици кюбити – тези, които цитираме”.

Учените смятат, че „квантовото превъзходство” може да се постигне дори с с още по-малко кюбити. „Като цяло ние залагаме на тези, които се базират на „най-лошите” предположения и съответно могат да се окажат ненужни”, казва Далзел.

Що се отнася до Google, изследователите отбелязват, че твърденията на компанията са сложни за анализиране, защото фирмата е избрала задача за квантово изчисление, която е трудно да се сравни с който и да е известен алгоритъм при класическите изчисления.

„Мисля, че твърдението, че са направили нещо с квантово устройство, което не знаем как да направим на класическо устройство, без огромни ресурси, е по-скоро вярно, доколкото мога изобщо да кажа”, обяснява Далзел. „По-малко съм склонен да смятам, че няма все още отворен класически алгоритъм за моделиране, който, ако знаехме само за него, би ни позволил да повторим експеримента на Google или дори да направим малко по-голяма версия на техния експеримент върху реално, класическо устройство. За да бъда ясен: не казвам, че такъв алгоритъм съществува. Казвам само, че ако наистина съществуваше, нямаше да е напълно и изцяло изненадващо”.

В крайна сметка дали сме постигнали превъзходство в квантовите изчисления, когато сме направили нещо, което не знаем как да направим с класическо устройство? Наистина ли искаме да сме сигурни, че това не е възможно дори с алгоритми, които все още не сме открили? Далзел задава тези и други подобни въпроси.

„Google изглежда доста ясно заема предишната си позиция, дори да признае, че очаква алгоритмичните иновации да намалят цената на класическата симулация, но също така очаква подобренията в квантовите устройства да бъдат достатъчни, за да запазят състоянието на превъзходство в квантовите изчисления. Те разчитат на аргументите на теорията на сложността, само за да предположат, че екстремните подобрения в класическата симулация са малко вероятни. Това определено е оправдано тълкуване”.

Бъдещите изследвания могат да анализират как оценките за квантовото превъзходство се справят с шума в квантовите схеми. „Когато няма шум, аргументите за превъзходството на квантовото изчисление са на доста солидна основа”, казва Далзел. „Но добавете шум и ще получите нещо, което може да се използва от класически алгоритъм”.