Случи ли се квантовата революция? Какво означава новия технологичен пробив на Google
Wired обяснява защо много учени скептично се отнасят към съобщението на Google за достигането на „квантово превъзходство”.
Те най-накрая го направиха. След много години, даже по скоро десетилетия, на надежди и мечти без каквито и да било практически резултати, изследователите от общността на квантовите изчисления си изпълниха обещанието. Или не?
Наскоро се прокрадна съобщение (появи се на сайта на НАСА, но след това бързо бе свалено), че изследователите от Google са решили задача на квантов компютър 1 милиард пъти по-бързо, отколкото на класически компютър. В Google не отговориха на молбата за коментар, но съгласно черновата на ръкописа, описващ експеримента, те са достигнали „квантово превъзходство”, което „предвещава появата на така очакваната изчислителна парадигма”.
Но реакциите на останалата част на „квантовото общество” бяха абсолютно противоречиви. В електронно писмо физикът Джон Прескил от Калифорнийския технологичен университет нарече работата „ наистина впечатляващо постижение в експерименталната физика.”. В уточнението, че появилия се ръкопис, е само чернова, математикът Ашли Монтанаро от Бристолския университет отбелязва, че това „действително е вълнуващ момент”, но и също така, че изпълнената работа „ няма практическо значение”. Дарио Гил , директор по изследванията в IBM, оспорва самото понятие „квантово превъзходство”, смятайки, че този термин „въвежда в заблуда”.
Каква е истината? Дали екипът на Google е преодолял огромната технологична бариера или е провел в значителна степен безполезен експеримент? Истината лежи някъде по средата и отразява напрежението и конкуренцията, които царят в света на квантовите изчисления.
От една страна, изследователите са успели да проведат изключително сложен експеримент, базиращ се на математически доказателства и години развитие на изчислителната техника. Това е безспорно постижение. Но този експеримент не ги приближава към търговските устройства, каквито обещаваше „квантовото” общество, които ще откриват нови молекули за по-качествени батерии, нови лекарства и много други иновации, със скорост на изчисления, несравними с досегашните компютри. Тоест, това е и голяма победа, и известно разочарование.
За да разберем всичко това по-добре е нужно да се вникне в документа на Google. Изследователите са провели експеримент на чип за квантови изчисления с името Sycamore, съдържащ 54 кюбита. Това са миниатюрни обекти, които могат да бъдат програмирани да приемат значения 0, 1 или претеглена комбинация от двете, наречена суперпозиция. Изследователите използват за кюбитите импулси от напрежение и микровълни в различни последователности, променяйки тяхното значение в съответствие с правилата, наложени от квантовата механика. Съединявайки няколко такива импулса , вие ще имате алгоритъм за квантов компютър.
В експеримента за достигане на „квантово превъзходство”, специалистите на Google са разработили няколко последователности от импулси, които в своята същност превръщат техния компютър в генератор на случайни числа. След това те накарали квантовия компютър да генерира милиони числа. Въпреки че са изглеждали случайни, те се вписвали в схема, предписана от алгоритъма на Google. След това екипът проверил с помощта на изчисления, дали действително числата съответстват на модела и компютърът показал, че да.
Сама по себе си тази задача се състояла в състезание между квантовия компютър и суперкомпютър. Практическата полза от нея е минимална. Но това е само първото съревнование, което както изглежда е спечелено от квантовия компютър. Суперкомпютърът не е успял достатъчно бързо да провери дали числата са се подчинявали на конкретното разпределение.
Пътят към този експеримент е започнал преди повече от десет години, когато изследователите още не са работили в Google. През 2004 година Барбара Терхал и Дейвид ди Винченцо, бидейки служители на IBM, са разработили първоначалното математическо доказателство, че кюбитите могат да решават конкретна задача по-бързо от класическите битове. Не е били ясно дали някой ще се опита да реализира това, защото в него момент квантовите компютри просто не са съществували.
„На мен ми се струваше, че това е добра , но в по-голямата си част теоретична идея .”–казва Терхал, която сега работи е Технологичния университет в Делфт, Холандия.- „Ние представихме първия си проект на конференция по информатика, но той беше отхвърлен. Никой не си помисли „ О, това е добра идея!”. Абсолютно не.”
След това, през 2007 година изследователи от САЩ и Канада са разработили първите прототипи на използваните от Google кюбити, построени от миниатюрни свръхпроводими вериги. Други изследователи, в това число Джон Мартинис, който в момента оглавява изследователската група на Google, са подобрили дизайна и са измислили как да ги съединят и да ги накарат да провеждат изчисления. В края на краищата тези колективни усилия са довели до създаването на нещо подобно на симфония. Само че музикантите им се наложило не само да напишат музиката, но и да измислят всички инструменти и чак тогава да я изпълнят.
Но днес, когато големите корпорации и стартапи разработват тези машини, акцентът се премести от научните постижения към икономическата страна на въпроса. Няколко години изследователите говориха мъгливо за „квантовото превъзходство” като предвестник на това, че тази технология ще може да започне да печели. Този термин, за пръв път използван от Прескил през 2011 година, беше предназначен за описание на епохата, когато тези устройства ще станат по-бързи от класическите компютри. В този смисъл Google достигна ли “квантово превъзходство”?
„Аз не знам, кой решава какво е това превъзходство” – казва Терхал.
Тя смята, че един експеримент не може да демонстрира „квантовото превъзходство”, а са необходими серия от успешни опити. По нейно мнение, експеримента на Google е по-скоро „стъпало” нагоре.
Някои изследователи предпочитат въобще да не се фокусират на превъзходството. IBM , например описват производителността на своя компютър , използвайки традиционни, може би даже старомодни показатели, частично базирани на тестовете за точност. Това, по думите на изследователя по квантови изчисления на IBM Джей Гамбета, им е дало „пътна карта, показваща подобряването на системата с течение на времето.”
Друг проблем с превъзходството се състои в това, че класическите алгоритми могат понякога да наваксат пропуснатото, казва физика Робин Блум-Кохоут от Националната лаборатория Сандиа. Възможно е на сегашния момент Google да е изпреварил суперкомпютрите, но в бъдеще някой може да измисли как да спечели мача-реванш, използвайки традиционните компютри.
На някои изследователи термина „квантовото превъзходство” не им харесва сам по себе си. „ В нашите среди имаше много дискусии за това, дали следва да използваме думата „превъзходство” заради нейната неприятна конотация” – казва Блум-Кохоут. Една от алтернативите е „квантово преимущество”.
Съществува вероятност, че сегашната заявка на Google няма да издържи проверката на времето. Учените са написали в своята статия, че квантовия компютър може да изпълни задача за 200 секунди в сравнение с 10 хиляди години за суперкомпютъра. Явно те не са използвали суперкомпютър в продължение на 10 хиляди години за да потвърдят своите твърдения. Вместо това, изследователите за пуснали опростени варианти на задачата, както на квантовия компютър, така и на суперкомпютъра, и са сравнили резултатите. И когато квантовият компютър е успял при изпълнението на по-простата задача, те са решили, че устройството би решило успешно и по-сложната задача. Въпреки че Терхал смята този метод за убедителен, тя отбелязва, че някои експерти го смятат за „леко ненадежден”. По нейно мнение, за да убеди скептиците, Google трябва да предоставят достъп до техния квантов компютър на независими изследователи, за да могат те да проведат експеримент самостоятелно.
Това, което е абсолютно ясно на този момент, е че вече „квантовото превъзходство” не се смята за полезен термин. Изследователите трябва да разработят и да съгласуват по-нагледни начини за представяне на своите машини, казва Блум-Кохоут. „Квантовите компютри са сложни. Не може да ги сложите под един знаменател” –добавя той.
Истинският смисъл на експеримента на Google е нещо по-просто. Те са създали оборудване, което работи достатъчно добре за изпълнение на най-сложната задача на сегашния момент. Но ако се погледне по-широко, тоест от гледна точка на създаването на търговско успешен квантов компютър, засега не е ясно дали те са преодолели съществуващата технологична бариера.
