Это база: Зачем нужна математика в повседневной жизни

Коррекция ошибок имеет свою цену: она требует больше кубитов. Например, чтобы разложить на простые множители число, которое может храниться в n кубитах с использованием алгоритма Шора, на процесс вычисления требуется время, примерно пропорциональное чему-то промежуточному между n и n². С учетом коррекции ошибок, совершенно необходимой на практике, время становится более похожим на n³. Для 1000-кубитного числа коррекция ошибок увеличивает время расчета в тысячу раз.

До последнего времени никому не удавалось построить квантовый компьютер больше чем с несколькими кубитами. В 1998 году Джонатан Джонс и Мишель Моска использовали 2-кубитное устройство для решения задачи Дойча, которая сформулирована в работе Дэвида Дойча и Ричарда Джоза 1992 года. Это квантовый алгоритм, работающий экспоненциально быстрее любого традиционного алгоритма, он всегда дает ответ, и этот ответ всегда верен. Решает он следующую задачу. Нам дано гипотетическое устройство (оракул), которое реализует булеву функцию, превращающую любую n-значную битовую строку в 0 или в 1. Математически оракул и есть эта функция. Нам также сообщили, что эта булева функция принимает значение либо 0 всюду, либо 1 всюду, либо 0 ровно на половине битовых строк и 1 на другой половине. Задача – определить, какой из этих трех вариантов имеет место, применяя функцию к битовым строкам и наблюдая результат. Задача Дойча носит намеренно искусственный характер и представляет собой скорее доказательство концепции, нежели что-то практическое. Ее достоинство в том, что она представляет собой конкретную задачу, при решении которой квантовый алгоритм доказуемо превосходит любой традиционный. Строго говоря, она доказывает, что класс сложности EQP (точные решения за полиномиальное время на квантовом компьютере) отличается от класса P (точные решения за полиномиальное время на традиционном компьютере).

В том же 1998 году появилась и 3-кубитная машина, а в 2000 году – машины с 5 и 7 кубитами. В 2001 году Ливен Вандерсипен с коллегами{44} реализовал алгоритм Шора, используя в качестве квантовых битов семь ядер со спином 1/2 в специально синтезированной молекуле. Этими ядрами можно было манипулировать при комнатной температуре с помощью методов управления ядерным магнитным резонансом неустойчивых состояний. Ученым удалось найти простые делители целого числа 15. Большинство из нас может проделать эту операцию в уме, но это стало важным доказательством концепции. К 2006 году исследователи увеличили число кубитов до 12, а в 2007 году компания D-Wave сообщала даже про 28 кубитов.

* * *

Пока все это происходило, исследователи смогли сильно увеличить промежуток времени, в течение которого можно поддерживать квантовое состояние, прежде чем оно декогерирует. В 2008 году один кубит удалось сохранить в атомном ядре больше секунды. К 2015 году время жизни кубита составляло уже шесть часов. Сравнивать эти промежутки времени трудно, потому что в разных устройствах использовались разные квантовые методы, но прогресс в любом случае был впечатляющим. В 2011 году D-Wave объявила, что создала коммерчески доступный квантовый компьютер D-Wave One со 128-кубитным процессором. В 2015 году D-Wave утверждала, что преодолела рубеж в 1000 кубитов.

Первой реакцией на заявления D-Wave было недоверие. Архитектура устройства была необычной, и у некоторых возникли вопросы: действительно ли это настоящий квантовый компьютер, а не навороченный классический компьютер, использующий околоквантовое оборудование. Во время испытаний он превосходил стандартные классические компьютеры на полезных задачах, но при этом был специально сконструирован для таких задач, тогда как классические компьютеры, с которыми он состязался, – нет. Его преимущества, казалось, исчезали, если классические компьютеры специально конструировались для соответствующих задач. Споры продолжаются до сих пор, но машины D-Wave используются и неплохо работают.

Ключевой целью исследований является квантовое превосходство: создание квантового устройства, которое превосходит по производительности лучшие классические компьютеры по крайней мере на одном расчете. В 2019 году команда Google AI опубликовала статью в Nature под заголовком «Квантовое превосходство с использованием программируемого сверхпроводящего процессора»{45}. Она объявила, что создала квантовый процессор под названием Sycamore с 54 кубитами, но один из них отказал, что снизило их количество до 53. С его помощью за 200 секунд решили задачу, на решение которой у классического компьютера ушло бы 10 000 лет.

Архитектура квантового процессора Sycamore