При определении того, действительно ли существует квантовое преимущество, необходимо учитывать множество факторов. Нет никаких сомнений в том, что этот тип вычислений все еще находится в зачаточном состоянии Совершенно иным является состояние классических вычислений, которые оттачивались десятилетиями. Следовательно, сравнение на данный момент неубедительно. Но есть некоторые детали, на которые стоит обратить внимание.
Теоретическое квантовое преимущество
Общепринято, что квантовые вычисления позволяют решать некоторые проблемы за меньшее время и с использованием меньшего количества ресурсов, чем классические вычисления. Херман Сьерра, исследователь и профессор Института теоретической физики UAM-CSIC, иллюстрирует это одним из самых известных эссе. «Самый яркий пример был получен Питером Шором в 1995 году, когда он нашел квантовый алгоритм, разлагающий целое число на его простые множители за полиномиальное время от количества цифр, а не экспоненциальное, как в классических алгоритмах».
Полиномиальное время в вычислениях имеет место, когда время, необходимое для выполнения алгоритма и получения решения, меньше, чем значение, вычисленное из задействованных переменных. Это цифра намного ниже, чем то, что считается экспоненциальным временем. «В этой задаче достигается экстраординарное квантовое преимущество», - говорит Сьерра, ссылаясь на эссе Шора. « В других типах задач квантовое преимущество меньше, как и в алгоритмах поиска данных, где выигрыш является квадратичным, а не экспоненциальным».
Квантовые вычисления происходят из квантовой теории информации. Он содержит основные концептуальные инструменты для разработки программного обеспечения, которое внедряется в существующие квантовые компьютеры. И здесь необходимо сделать уточнение. «Квантовые компьютеры - это то, что мы называем квантовым оборудованием», - говорит исследователь CSIC. «Традиционное разделение между программным и аппаратным обеспечением сохраняется, как и в случае с классическими компьютерами. В настоящее время идет параллельное развитие как квантового оборудования, так и программного обеспечения».
И это то, что Без квантового программного обеспечения компьютеры этого типа не могут корректно работать. Поэтому процессы должны быть адаптированы к новой технологии. Только тогда его возможности можно будет использовать.
Квантовые компьютеры, превосходящие классические
Однако пока неясно, как проявляется квантовое преимущество. В сентябре 2019 года Google объявил, что достиг квантового превосходства с помощью системы из 53 кубитов (базовая единица этой технологии по сравнению с классическим битом). Его компьютеру удалось выполнить сложный расчет за 200 секунд. И компания утверждала, что обычному суперкомпьютеру понадобилось бы 10 000 лет, чтобы понять это.
Не все согласились с этой оценкой. В IBM указали, что этот расчет можно выполнить на классическом компьютере за два с половиной дня. Это была огромная разница - как подчеркнул Google, если сравнительная цифра составляла два с половиной дня - но не недоступная разница. И это то, что на самом деле представляет собой квантовое превосходство, которое будет заключаться в создании машины, способной решить проблему, решение которой не может быть достигнуто с помощью классического компьютера в управляемые срокиДействительно, 10 000 лет попадают в эту категорию, но не два с половиной дня.
В любом случае, несколько месяцев спустя в Китае команда Jiuzhang решила за 200 секунд задачу, на решение которой у самого передового в мире суперкомпьютера, японского Fugaku, ушло бы 600 миллионов лет. Затем эти исследователи улучшили свой собственный бренд, используя другой подход к проблеме.
Кубиты: количество и качество
IBM добилась долгожданного квантового превосходства год спустя со своей машиной Eagle. Впервые преодолели порог в 100 кубитов, со 127 кубитами, хотя компания признала, что аппаратный прогресс зависит не только от количества этих блоков, но и от качество исполнения и скорость. IBM проиллюстрировала технический подвиг, заявив, что классическим вычислениям потребуется больше битов, чем атомов в каждом человеческом существе на планете, чтобы выполнить тестируемые вычисления.
«В этих случаях расчеты, о которых идет речь, не имели практического применения, кроме демонстрации превосходства квантового компьютера над самым мощным классическим суперкомпьютером», - говорит Сьерра, которая также подтверждает необходимость расчета с другие факторы, помимо большого количества кубитов.«Сейчас идет гонка за создание квантовых компьютеров от 100 до 1000 кубитов где эти кубиты имеют качество Это означает, что квантовые вентили и измерения имеют одинаковые наименьшие возможная ошибка. Мы живем в так называемую эру NISQ (шумных квантовых компьютеров среднего масштаба)».
Так называемые шумные квантовые компьютеры промежуточного масштаба или этап NISQ определяют, что компьютеры, построенные в этот период, не имеют усовершенствованной конструкции, допускающей поведение петуха. Это мешает вам получить истинное квантовое преимущество.
Как квантовые вычисления могут превзойти классические
Есть многое для расследования. Начнем с материалов, из которых изготовлены машины. «Большинство современных квантовых компьютеров используют сверхпроводящие технологии, но есть и другие физические реализации, в которых используются захваченные ионы, фотоны или спины, например. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки», - объясняет исследователь CSIC.
Но также необходимо улучшить некоторые основные аспекты любой компьютерной системы. Есть два ключевых. Один из них, по логике вещей, это власть. Это происходит за счет увеличения количества кубитов, точно так же, как в классических вычислениях это происходило за счет увеличения количества битов. У другого больше крошки, чем кажется. Как упоминалось ранее, речь идет о достижении отказоустойчивости, о чем-то базовом, что классические вычисления уже более чем переварили за десятилетия.
“Чтобы превзойти классические вычисления в задачах, представляющих научный или технологический интерес, необходимо будет увеличить количество кубитов, а в будущем достичь устойчивых к ошибкам вычислений, который теоретически существует, но до которого ему еще очень далеко», - подчеркивает Сьерра.
Текущее исследование
Сегодня существует множество программ для развития этого квантового преимущества. Они происходят как в сфере компаний, так и в государственных исследовательских центрах. Но Сьерра делает вывод, который часто упускают из виду. Тем не менее, это составляет фундаментальную часть исследований в области квантовых вычислений. Как и для любого тестируемого продукта, для него должна быть найдена утилита.
"Если бы у нас прямо сейчас был очень мощный квантовый компьютер, скажем, миллиарды высококачественных кубитов, мы бы оказались в ситуации, похожей на ту, что последовала за открытием лазера", - комментирует научный сотрудник института теоретической физики. «Это был бы замечательный объект, но вряд ли с каким-либо практическим применением. Итак, одно из направлений текущих исследований направлено на поиск практических приложенийквантовых вычислений».
Варианты использования изучаются в различных областях, таких как сочетание искусственного интеллекта и квантовых вычислений, таких как так называемое квантовое машинное обучение. «Квантовая химия - еще одна из самых интересных областей применения в биологии и сельском хозяйстве, - объясняет Сьерра. «В физике высоких энергий его можно применять для сбора и обработки огромных объемов данных, таких как данные, генерируемые БАК, ускорителем частиц ЦЕРН и его будущими версиями. Также можно ожидать приложений для разработки новых материалов».
Вообще, квантовое преимущество будет полезно во всех научных и технологических областях, требующих обработки больших объемов данных. Sierra подчеркивает работу, которую проводят такие компании, как Google, в области исследований. ИБМ или Интел. К ним присоединяются университетские центры и небольшие лаборатории, разбросанные по разным уголкам мира. Работа по развитию эклектична, но все они направлены в одну сторону.« Нет никаких сомнений в том, что будущее квантовое и оно уже здесь», - заключает исследователь.