Квантовые компьютеры мощностью в сотни и тысячи кубитов вот-вот начнут массово выпускаться — именно такой вывод можно сделать, пролистывая по диагонали новостные ленты популярных сайтов. На деле же переход от работоспособных прототипов к серийным машинам может затянуться на годы, а то и десятилетия
В 2019 г. исследователи из Google провозгласили, что созданный ими прототип квантового компьютера Sycamore на 53 кубитах выполняет за 200 секунд такой объём вычислений, на который один из мощнейших на тот момент суперкомпьютеров, IBM Summit (в составе которого — 9 216 ЦП и 27 648 ГП), затратил бы около 10 тыс. лет. Иными словами, был продемонстрирован прирост скорости квантовых вычислений (по сравнению с теми, что производят передовые машины на базе архитектуры фон Неймана) примерно в 158 миллионов раз.
Звучит настолько вдохновляюще, что возникает один-единственный вопрос: почему за прошедшие с того момента почти три года квантовые вычислители не начали уже вытеснять классические машины — по меньшей мере из списка мощнейших суперкомпьютеров мира?
Ловушка для захвата положительных ионов, которые под воздействием лазерного излучения в глубоком вакууме играю роль кубитов (источник: University of Chicago)
Где же логика?
Понятно, что новая технология требует немалых инвестиций, но если она гарантирует притом 158-миллионократный прирост вычислительной мощи — какой вменяемый капиталист (не в ругательном, а в чисто экономическом смысле этого термина) позволит удержать себя от вложений в столь перспективную разработку?
Отчего же тогда Конгресс США одобрил недавно выделение 52 млрд долл. на постройку новых полупроводниковых производств на территории страны? Разве в свете столь убедительного прогресса квантовых вычислений это не то же самое, что в 1930-х вкладываться в развитие новых конезаводов и тележных мануфактур — вместо того чтобы строить асфальтовые дороги и заправочные станции для автомобилей с двигателями внутреннего сгорания?
Для охлаждения вычислителя на базе квантового процессора IBM Eagle до температур, близких к абсолютному нулю, требуется настоящий суперхолодильник (источник: IBM)
И ведь прогресс в области квантовых вычислений с тех пор вроде бы не топтался на месте. За прошедшие годы IBM представила квантовый чип Eagle, включающий 127 кубитов, — тем самым впервые в истории число входящих в единый вычислительный блок кубитов превысило сотню. Стартап QuEra Computing, созданный физиками из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института, объявил о создании 256-кубитного квантового симулятора. Наконец, сама Google продолжает совершенствовать квантовый вычислитель Sycamore, улучшая механизмы коррекции ошибок и тем самым покоряя новые высоты производительности.
Главный вычислительный узел Sycamore смотрится более чем внушительно (источник: Google)
Тем не менее полупроводниковые компьютеры в обозримой перспективе явно не собираются сдавать свои позиции: пусть очередные достижения на квантовом фронте провозглашаются с завидной регулярностью, но главным вычислительным инструментом продолжают оставаться старые добрые машины, основанные на архитектуре фон Неймана.
Более того, пресловутая задача, с которой в 2019-м столь триумфально справился Sycamore, оказалась не такой уж неподъёмной для классических ЭВМ: Пань Чжан (Pan Zhang) с коллегами из Института теоретической физики при Академии наук КНР недавно показали, что даже не самой мощной майнинговой ферме с полутора десятками графических адаптеров потребительского класса достаточно будет примерно 15 часов для её решения. Любому суперкомпьютеру из мирового списка топ-100 хватило бы на неё и пары десятков секунд.
Так всё-таки, сможет ли квантовый вычислитель (допустим, он слева) в обозримой перспективе обогнать компьютер архитектуры фон Неймана? (источник: La boite verte)
Выходит, специалисты Google выдавали три года назад желаемое за действительное? Не совсем так: группа Пань Чжана подчёркивает, что энергоэффективность квантового компьютера при решении тестовой задачи действительно неизмеримо выше, чем полупроводниковой ЭВМ, да и главная причина неверной оценки производительности традиционных компьютеров в данном конкретном случае кроется в использовании не самого оптимального алгоритма.
Даже внешне 54-кубитный чип Sycamore заметно отличается от привычных полупроводниковых микросхем, работающих в парадигме бинарной логики (источник: Google)
Другое дело, что произведённые Sycamore на протяжении тех самых 200 секунд вычисления не были точными: квантовый компьютер не искал целенаправленно единственно верный ответ, а отсеивал заведомо неверные, и потому оценочная погрешность полученного им результата составляла около 0,2%.
И вот это уже принципиальный момент. Точность последовательных вычислений на классическом компьютере по сути абсолютная. Хотя при реальных расчётах всё равно не удаётся избежать проблем с округлением и иррациональными числами, фактическая точность определяется разрядностью используемых программой переменных — так что погрешность результата даже для бытовых расчётов не превышает десятитысячных долей процента.
Художественная прорисовка (с раздвинутыми для наглядности в стороны жгутами патрубков) размещения квантового процессора в недрах Sycamore (источник: Google)
Квантовые же компьютеры действуют по иному принципу: они не решают задачу последовательно, исполняя шаг за шагом некий алгоритм, а единовременно производят огромное количество вычислений с разными параметрами по одной и той же схеме, так что в итоге среди полученного вороха ответов остаётся лишь выделить более или менее верный.
Именно эта принципиальная особенность квантовых вычислений разом выступает и как их главное преимущество по сравнению с классическими, и как тягчайшая уязвимость — из-за которой, собственно, в дата-центрах по всему миру до сих пор продолжают работать фон неймановские ЭВМ на базе полупроводниковых СБИС. И ещё долго, очень долго такое положение дел не изменится.
Первый в мире коммерческий квантовый компьютер Q System One (2019 г., 20 кубитов) смонтирован в завораживающем дизайнерском корпусе — кубе со стороной 9 футов (почти 2,75 м), где скрывается мощная система охлаждения (источник: IBM)