Някои изчисления са толкова сложни, че са необходими системи с изключителна мощност. Това са суперкомпютрите – огромни системи, които бръмчат от мощността на своите графични и централни процесори, обработвайки приложения, за които на един настолен компютър биха били необходими стотици до хиляди години.
В тази връзка, един достъпен на пазара квантов компютър, създаден от IBM току-що постигна постижение, което подсказва, че тази нова технология един ден може да остави суперкомпютрите далеч зад себе си. Само за 19 секунди процесорът Nighthawk r2 на IBM генерира един милион образци – задача, за която се смята, че на суперкомпютър би отнела около 110 години.Резултатите от експеримента са описани в предпечат, който в момента е достъпен в arXiv.
„Доколкото ни е известно, това е първата демонстрация на квантово превъзходство при стандартно вземане на проби от случайна верига на търговски и широко достъпен квантов процесор, която повечето потребители на квантови компютри, които не са експерти могат лесно да повторят.“
пишат изследователите в статия, ръководена от физика по теоретична физика на кондензираната материя Тигран Седракян от BlueQubit в САЩ
Nighthawk r2, квантовият процесор от настоящото поколение на IBM. (IBM)
Битката за квантовото превъзходство е надпревара във въоръжаването между суперкомпютрите и квантовите компютри, която всъщност започна още през 2018 година. Основната теза е, че трябва да съществува квантово изчисление, което е изключително трудно (ако не и невъзможно) за изпълнение от класически компютър.
През 2018 година изследователи от Калифорнийския университет в Бъркли предоставиха солидни теоретични доказателства, че една от водещите задачи би била подходяща за тази цел: произволно вземане на проби от вериги (RCS). Квантовата верига представлява поредица от операции, извършвани върху кубити, донякъде аналогични на операциите, извършвани върху битове в конвенционален компютър. При RCS тези операции се избират до голяма степен на случаен принцип, създавайки все по-сложно квантово състояние. След това процесорът измерва това състояние отново и отново, генерирайки поредици от единици и нули – „пробите“. Генерирането на пробите е доста просто, но с нарастването на броя на кубитите и операциите изчисляването на вероятностното разпределение, необходимо за възпроизвеждане на същите резултати на класически компютър, се превръща в сизифов труд.
През 2019 година Google обяви, че нейният 53-кубитов процесор Sycamore е извършил RCS експеримент, който е извън практическата възможност на класически суперкомпютър. Не мина много време обаче, преди изследователите в областта на класическата физика да започнат да намират творчески начини да накарат конвенционалните компютри да възпроизведат тези резултати – а изследователите в областта на квантовата физика да извеждат своите системи до все по-големи крайности, използвайки най-модерните налични технологии.
Този нов резултат на IBM е нещо съвсем различно. Вместо да използват специализиран експериментален квантов процесор, изследователите са провели експеримента си на Nighthawk r2 – 120-кубитов свръхпроводящ квантов процесор, достъпен за потребителите чрез облачната платформа на IBM.Те са избрали 61 от неговите кубити и са ги подложили на произволни вериги с нарастваща сложност, до 40 цикъла – повтарящи се серии от операции, при които 61-те кубити се манипулират и се заплитат. И, което е важно – те са направили това, използвайки стандартния облачен работен поток на платформата – без специална калибрация, съобразена с експеримента.
По този начин специалистите са открили „златната среда“ при 36 цикъла, където веригата включва 918 двукубитни гейта. При тези условия Nighthawk r2 генерира 1 милион образци само за 19 секунди. Изненадващо, това е лесната част. Много по-трудно е да се прецени колко трудна би била задачата за класически компютър.
Тъй като се смята, че за суперкомпютър е практически невъзможно да изпълни тази задача, и тъй като най-добрите суперкомпютри в света са много търсени, учените не могат просто да пуснат програмата на суперкомпютър и да наблюдават какво ще се случи.
За щастие, съществува инструмент, който учените можеха да използват – техника, наречена „контракция на тензорни мрежи“, която позволява да се оцени изчислителната цена на симулирането на квантова верига на класически компютър. Използвайки този подход, Седракян и колегите му са изчислили, че възпроизвеждането на техните един милион образци би изисквало около 1,2 × 10²⁷ изчислителни операции.
Има обаче някои важни уговорки. Тези 110 години не представляват фундаментална граница на скоростта за класическите компютри, а са оценка, базирана на конкретен метод за възпроизвеждане на квантовия експеримент. И както историята вече е показвала, изследователите в областта на класическото изчисление са много добри в намирането на преки пътища. По-ефективни алгоритми биха могли драстично да намалят необходимия обем работа.
Седракян и колегите му изрично признават тази възможност. Твърдението им не е, че никой класически компютър никога няма да може да се сравни с производителността на Nighthawk r2, а че според този критерий квантовият процесор е излязъл значително напред.
Това е поредното предизвикателство, хвърлено в надпреварата за квантово превъзходство – предизвикателство, което не е в духа на превъзходството, а колегиално състезание, което в крайна сметка ще подтикне и двете страни да намерят по-добри начини за изчисления. Всъщност, това е демонстрация на тази надпревара в действие – квантово превъзходство, постигнато не на специално изработено лабораторно оборудване, а на хардуер, достъпен на пазара. Изследователите подчертават, че са провеждали експеримента на „обществено достъпен квантов процесор (QPU), достъпен чрез облак“, като са използвали стандартния стек за изпълнение в облака и са публикували схемите, примерите и кода за анализ, за да могат и други да тестват резултата сами.