Google снова заявляет, что квантовый компьютер превзошёл суперкомпьютер. Если бы это ещё можно было доказать.

«Квантовый компьютер сталкивается с жёсткой конкуренцией», — говорит Андреас Вальрафф. Этот квантовый физик из Швейцарской высшей технической школы Цюриха знает, о чём говорит: он работает над усовершенствованием квантовых компьютеров, чтобы однажды они смогли за считанные минуты решать задачи, на которые современным суперкомпьютерам потребовались бы годы.

По крайней мере, именно это обещают разработчики квантовых компьютеров уже много лет. В последние годы Google неоднократно заявляла, что её квантовые компьютеры решают определённые задачи быстрее классических, тем самым достигая квантового преимущества. Совсем недавно компания сообщила в своём исследовательском блоге, что её квантовый чип «Willow» решил задачу в 13 000 раз быстрее, чем второй по скорости суперкомпьютер в мире. Этот алгоритм можно использовать, например, для расчёта молекулярных свойств, таких как атомные расстояния.

Другие компании, например, канадская компания D-Wave Systems, также заявляли о квантовых преимуществах. Однако эти заявления были быстро опровергнуты. Либо исследователи показали , что улучшенные классические алгоритмы работают так же быстро, либо задачи не имели практического применения. Последнее заявление Google о квантовых преимуществах также подверглось критике: один из рецензентов указывает на метод ИИ , который, вероятно, мог бы решить эту задачу так же быстро, но который команда Google упустила из виду при сравнении.

Неужели шумиха вокруг квантовых компьютеров — просто пустые слова? Нет, утверждает Скотт Ааронсон: «Это нормальный научный процесс: одни заявляют о квантовом преимуществе, другие пытаются его опровергнуть», — утверждает учёный-компьютерщик из Техасского университета, критически оценивающий исследования в области квантовых вычислений. «Квантовое преимущество следует считать фальсифицируемой гипотезой», — пишут Оливия Лейнс и её коллеги из IBM . В своей статье они объясняют, что на самом деле означает «квантовое преимущество» и как его можно доказать. Эти вопросы сами по себе являются предметом исследований.

«Квантовое преимущество означает, что квантовый компьютер решает задачу эффективнее, то есть быстрее или экономичнее», — говорит Андреас Вальрафф. «Точка отсчёта — самые мощные суперкомпьютеры. Поэтому планка очень высока». Хотя суперкомпьютеры становятся всё быстрее, физики всё ещё борются с ошибкой кубитов — мельчайших вычислительных единиц квантовых компьютеров.

Пока невозможно исправлять ошибки с помощью дополнительных кубитов достаточно эффективно, чтобы квантовые компьютеры могли стабильно работать в течение длительного времени. Это серьёзно ограничивает их производительность. Поэтому сравнивать их с суперкомпьютерами несколько несправедливо, как сравнивать полноценный гоночный автомобиль с прототипом.

Несмотря на присущие кубитам недостатки, исследователи стремятся выполнять полезные вычисления. Они ищут задачи, с которыми классические компьютеры с трудом справляются, но с которыми квантовые компьютеры справляются превосходно. К ним относятся, например, квантово-химическое моделирование молекул для разработки лекарств или оптимизация задач в логистике и транспортировке. Помимо многочисленных академических групп, над квантовыми компьютерами работают более 200 стартапов по всему миру. Для них доказанное квантовое преимущество даст возможность проявить себя.

Скотт Ааронсон жалуется на «ложные заявления», например, о доказанном квантовом преимуществе. Однако это вряд ли возможно из-за отсутствия устоявшихся критериев оценки. Это всегда оставляет простор для интерпретаций.

«Один из способов подтвердить квантовое преимущество — воспроизвести результат на квантовом компьютере другой группы», — говорит Уолрафф. «Но не у всех есть доступ к такому передовому оборудованию, как у Google». Более того, разные команды работают с разными технологиями — от сверхпроводящих контуров до нейтральных атомов, ионов и полупроводников. Это также усложняет воспроизведение результатов.

Разработчики пытаются продемонстрировать квантовое преимущество, заставляя внутреннюю команду экспертов пытаться превзойти их собственный алгоритм классическими методами, фактически беря на себя роль своих критиков. Например, Google, как сообщается, потратила десять человеко-лет на тестирование девяти классических алгоритмов. Это привело их к выводу, что квантовый чип «Willow» решает задачу в 13 000 раз быстрее. Однако Уоллафф подчёркивает, что это отражает лишь текущее состояние исследований. «Другие могут разработать более быстрые классические алгоритмы в любое время — это постоянная конкуренция».

Возможно, самый надёжный метод подтверждения квантового преимущества — это сравнение с экспериментом: молекулярные свойства можно измерить в лабораторных условиях. Чтобы проверить моделирование на квантовом чипе Google, исследователи из Калифорнийского университета в Беркли определили расстояния между атомами водорода в двух органических молекулах с помощью ядерного магнитного резонанса. Результаты измерений совпали со значениями, расчётными «Willow».

Однако в эксперименте изучались малые молекулы, которые также можно моделировать на обычных компьютерах. Для более крупных молекул, где квантовое преимущество можно было бы продемонстрировать, «Willow» всё ещё слишком склонен к ошибкам.

Для Дитера Кранцльмюллера сравнение с классическими компьютерами вторично. Центр суперкомпьютеров имени Лейбница под Мюнхеном, который он возглавляет, соединил квантовый компьютер немецко-финского стартапа IQM со своим суперкомпьютером. «Суперкомпьютер должен всегда обращаться к квантовому компьютеру, когда последний превосходит его», — говорит Кранцльмюллер, например, в квантово-механических подзадачах. Если квантовое преимущество станет очевидным, вскоре появятся стандарты для его точного определения, считает Кранцльмюллер.

Он считает конкуренцию продуктивной: «Предыдущие заявления о квантовом преимуществе часто показывали, что классические алгоритмы также можно ускорить», — говорит учёный. «Просто проводя фундаментальные исследования квантовых компьютеров, мы узнаём много нового, что применимо и к обычным компьютерам».

Скотт Ааронсон разделяет схожую точку зрения. Квантовые компьютеры с исправлением ошибок могут в будущем обеспечить скачок производительности, значительно превосходящий возможности суперкомпьютеров. Святой Грааль — это разложение больших чисел на простые множители — основа современного шифрования, задача, практически неразрешимая для классических компьютеров сегодня. «Если нам это удастся, мы либо достигнем огромного квантового преимущества, — говорит Ааронсон, — либо кто-то найдёт быстрый метод классической факторизации, который станет почти такой же революционной для криптографии и математики».