Септильйони років обчислень за 5 хвилин: що відомо про квантовий процесор Willow від Google
Корпорація Google заявила про створення нового ультрасучасного квантового чипа Willow, який швидший за найпотужніший сучасний суперкомп’ютер і який розв'язав ключову проблему галузі останніх 30 років. Розповідаємо, що з цього правда, а що частина корпоративного піару, та що насправді означатиме новий квантовий комп’ютер для майбутнього.
Що таке квантові комп’ютери та як вони працюють
Нагадаємо, у чому полягає основна відмінність традиційних процесорів та квантових чипів. Звичайний комп’ютер чи смартфон перетворює усю інформацію у числа та зберігає їх у кремнієвих мікросхемах. За маніпуляції з найдрібнішими елементами звичайний процесор обробляє біти інформації. Кожен біт зашифрований у двійковий код та містить або 1, або 0.
Натомість квантовий комп’ютер, на перший погляд, суперечить здоровому глузду. Квантові біти, або кубіти, поводяться інакше, ніж звичайні біти. Вони можуть містити комбінацію 1 і 0 одночасно (у квантовій механіці це називається суперпозицією). Це означає, що два кубіти можуть містити чотири значення одночасно. І коли кількість кубітів зростає, квантовий комп’ютер стає експоненціально потужнішим.
Така властивість досяжна лише для деяких дуже малих об’єктів на субатомному рівні або під впливом сильного холоду. Наприклад, Google охолоджує процесор майже до 460 градусів нижче нуля за Фареншейтом (−273 за °C, що близько до абсолютної найнижчої температури).
Хоча концепція квантових комп’ютерів не нова (вчені розуміли, як побудувати такі машини ще у 1980-х), але кубіти зберігають свій квантовий стан дуже короткий час (мілісекунди або менше). Це називається час когерентності, який до того ж втрачається через найменші зовнішні чинники.
Квантова перевага
Підписуйтеся на наші соцмережі
Завдяки своєму останньому надпровідному комп’ютеру Google заявив про «квантову перевагу», тобто створив машину, здатну виконувати завдання, які виходять за межі будь-якого традиційного комп’ютера.
Willow, як стверджує компанія, за п'ять хвилин може розв'язати задачу, для виконання якої найшвидшим у світі суперкомп'ютерам наразі знадобилося б 10 септильйонів років — число, яке значно перевищує вік Всесвіту. Це 10 000 000 000 000 000 000 000 000 років.
Щоправда, є нюанс. Завдання, яке виконав Willow, стосується генерування чисел та було спеціально розроблене для квантових комп’ютерів. Тобто ці завдання езотеричні й не можуть принести користі та практичного застосування. Хоча вчені сподіваються, що згодом квантовий комп’ютер може пришвидшити розвиток інших галузей, як-от хімія та штучний інтелект, або виконувати завдання, які підприємства чи споживачі вважають корисними.
До речі, це не переший випадок квантової переваги. По суті Google водночас повторив та перевершив своє попереднє досягнення. У 2019 році компанія заявила, що її квантовий процесор Sycamore вирішив спеціалізоване обчислювальне завдання приблизно за 200 секунд, тоді як найпотужніший на той час класичний суперкомп'ютер Summit від IBM потребував би приблизно 10 тис. років.
У чому прорив Google із квантовим процесором Willow
Відсутність реальної практичної користі від квантових комп’ютерів пояснюється тим, що вони припускаються багатьох помилок, тобто часто збиваються під час роботи через свою вразливість до зовнішніх чинників.
Через це з’явилось ще одне явище, так званий поріг виправлення помилок у квантових комп’ютерах. Це межа, яка визначає, наскільки часто можуть виникати помилки у кубітах, щоб їх можна було виправляти за допомогою методів квантової корекції помилок. Якщо частота помилок нижча за цей поріг, комп'ютер може працювати стабільно та виконувати складні обчислення. Якщо ж частота помилок перевищує поріг, виправлення стає неможливим і розрахунки будуть ненадійними.
Дослідники з Google створили чип, який дозволив їм продемонструвати перші квантові обчислення «нижче порогу», що, можливо, наблизить нас до створення квантових комп’ютерів, які є достатньо точними, щоб бути корисними. Це було ключовою проблемою галузі останні 30 років!
Ще у середині 1990-х з’явилась ідея «логічних кубітів». Це абстрактний «ідеальний» кубіт, створений із групи фізичних кубітів. Для одного логічного кубіта потрібно багато фізичних кубітів (зазвичай десятки або навіть тисячі). Він захищений від помилок за допомогою спеціальних методів квантової корекції помилок. Отриманий «логічний кубіт» є стійким до шуму, принаймні на папері. Щоб ця техніка, яка називається квантовою корекцією помилок, працювала, необхідно було б показати, що це поширення інформації на кілька кубітів значно знижує рівень помилок.
Дослідження свідчить, що новий чип компанії під назвою Willow є вдосконаленою версією цієї технології зі 105 фізичними кубітами. Створивши логічні кубіти всередині Willow, команда Google показала, що кожне наступне збільшення розміру логічного кубіта скорочує рівень помилок удвічі.
Як практичні квантові комп’ютери змінять наш світ
Теоретично такий розвиток технологій невдовзі дозволить майбутнім квантовим чипам досягти рівня однієї помилки на десять мільйонів кроків. Це рівень точності, який дослідники зазвичай вважають вирішальним для того, щоб зробити квантові комп’ютери комерційно корисними.
Досягнення такого низького рівня помилок потребуватиме, щоб кожен логічний кубіт складався приблизно з 1000 фізичних кубітів, за оцінками Google, хоча подальші вдосконалення методів виправлення помилок можуть зменшити цей показник, можливо, до 200 кубітів. Дослідники з IBM та інших лабораторій також досягли значного прогресу зі схемами, які потребують менше кубітів.
Хоча це, беззаперечно, величезний крок для індустрії, залишається вирішити ще низку проблем. Зокрема, дослідникам потрібно буде об’єднати багато логічних кубітів разом, щоб вони могли ділитися та обмінюватися квантовими станами. Простіше сказати, виконувати захищені операції власне з кубітами, а не тільки з пам’яттю.
Окрім практичних ймовірних переваг у моделюванні складних природних явищ та проведення обчислень, квантові комп’ютери можуть знищити безпеку в інтернеті. Річ у тім, що більшість криптографічних алгоритмів шифрування з відкритим ключем, які зараз використовують у мережі, базується на обчислювальній складності задачі факторизації (розкладі на прості) великих цілих чисел. Для квантових комп’ютерів це буде легким завданням, що ставить під загрозу безпеку листування, цивільного та військового зв’язку, нагляд за об’єктами критичної інфраструктури, а також більшість фінансових транзакцій.
На щастя, до цього ще досить далеко. Головний операційний директор підрозділу квантових обчислень Чаріна Чоу каже, що чип Willow не здатний зламати сучасну криптографію: «За оцінками, нам залишилося щонайменше 10 років на те, щоб зламати RSA, і для цього знадобиться приблизно 4 млн фізичних кубітів».
