В прошлом месяце физики стартапа Xanadu из Торонто опубликовали любопытный эксперимент в Nature, в котором они генерировали, казалось бы, случайные числа. Во время пандемии они построили настольную машину Borealis, состоящую из лазеров, зеркал и более километра оптоволокна. Внутри Borealis 216 лучей инфракрасного света отражались через сложную сеть призм. Затем ряд детекторов подсчитывал количество фотонов в каждом луче после того, как они пересекали призмы. В конечном итоге машина генерировала 216 чисел за раз — одно число соответствовало количеству фотонов в каждом соответствующем луче.
Borealis — это квантовый компьютер, и, по словам исследователей Xanadu, этот бросок костей с лазерным питанием выходит за рамки возможностей классических или неквантовых вычислений. Borealis потребовалось 36 микросекунд, чтобы сгенерировать один набор из 216 чисел из сложного статистического распределения. По их оценкам, Фугаку, самому мощному суперкомпьютеру на момент эксперимента, потребовалось в среднем 9000 лет, чтобы произвести набор чисел из того же распределения.
Эксперимент является последним в серии демонстраций так называемого квантового преимущества, когда квантовый компьютер побеждает современный суперкомпьютер в заданной задаче. Эксперимент «раздвигает границы машин, которые мы можем построить», — говорит физик Николя Кесада, член команды Xanadu, который сейчас работает в Polytechnique Montréal.
«Это большой технологический прорыв», — говорит Лаура Гарсия-Альварес из Технологического университета Чалмерса в Швеции, которая не участвовала в эксперименте. «Это устройство выполнило вычисления, которые считаются сложными для классических компьютеров. Но это не означает полезных коммерческих квантовых вычислений».
Так что же означает утверждение Ксанаду о квантовом преимуществе? Физик из Калифорнийского технологического института Джон Прескилл в 2011 году придумал эту концепцию как «квантовое превосходство», которое он описал как «точку, в которой квантовые компьютеры могут делать то, что классические компьютеры не могут, независимо от того, полезны ли эти задачи». (С тех пор многие исследователи в этой области стали называть это «квантовым преимуществом», чтобы избежать отголосков «превосходства белых». В статье Ксанаду это фактически называется «квантовым вычислительным преимуществом», поскольку они думают, что «квантовое преимущество» подразумевает, что компьютер выполнил полезное задание, чего не было.)
Слова Прескилла предполагали, что достижение квантового преимущества станет поворотным моментом, отметив начало новой технологической эры, в которой физики начнут разрабатывать полезные задачи для квантовых компьютеров. Действительно, люди так горячо предвкушали эту веху, что первое заявление о том, что квантовый компьютер превосходит классический компьютер — на Google исследователями в 2019 году — просочилась информация.
Но по мере того, как все больше исследователей заявляют о квантовом преимуществе своих машин, смысл достижения становится все более туманным. Во-первых, квантовое преимущество не означает конец гонки между квантовыми и классическими компьютерами. Это начало.
Каждое заявление о квантовом преимуществе побуждало других исследователей разрабатывать более быстрые классические алгоритмы, чтобы оспорить это утверждение. В GoogleВ случае с Xanadu его исследователи провели эксперимент по генерации случайных чисел. Они писали, что ультрасовременному суперкомпьютеру потребуется 10 000 лет, чтобы сгенерировать набор чисел, в то время как их квантовому компьютеру потребовалось всего 200 секунд. Месяц спустя исследователи из IBM утверждали, что Google использовали неверный классический алгоритм для сравнения и что суперкомпьютеру нужно всего 2,5 дня. В 2021 году команда, использующая суперкомпьютер Sunway TaihuLight в Китае, показала, что может выполнить задачу за 304 секунды — всего на волосок медленнее, чем Googleквантовый компьютер. В том же году разработчики этого алгоритма представили еще более быстрый метод. Более крупный суперкомпьютер сможет выполнить этот алгоритм за десятки секунд, говорит физик Пань Чжан из Китайской академии наук, который помогал разрабатывать оба алгоритма. Это снова поставило бы классический компьютер на первое место.
«Если вы говорите, что получили квантовое преимущество, вы говорите, что никто и никогда не сможет смоделировать ваш эксперимент так же точно, как он был», — говорит физик Джейкоб Балмер из Бристольского университета. «Это большой научный момент, когда вы делаете это заявление. А большие заявления требуют веских доказательств».
Заявление о квантовом преимуществе 2020 года от исследователей из Университета науки и технологии в Китае встретило аналогичную критику. Команда, возглавляемая физиком Паном Цзянь-Веем, также использовала свой квантовый компьютер для генерации чисел в соответствии с заданным распределением вероятностей. В своей статье они утверждали, что их квантовый компьютер может сгенерировать набор чисел за 200 секунд, в то время как самому мощному в мире суперкомпьютеру потребуется 2,5 миллиарда лет. В январе Балмер возглавил группу, которая показала, что на самом деле суперкомпьютеру потребуется 73 дня.
