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, а також розв'язав ключову проблему галузі за останні 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 в числа та зберігає їх у кремнієвих мікросхемах. При маніпуляції з найдрібнішими елементами звичайний процесор обробляє «біти» інформації. Кожен біт закодований у двійковий код та містить або 1, або 0.
Натомість квантовий комп’ютер, на перший погляд, суперечить здоровому глузду. Квантові біти, або «кубіти», поводяться зовсім 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 переважно 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.
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 один нюанс. Завдання, яке виконав Willow стосується генерування чисел та було спеціально розроблене для квантових комп’ютерів. Тобто ці завдання езотеричні й наразі не можуть принести будь-якої користі та практичного застосування. Хоча вчені сподіваються, що згодом квантовий комп’ютер може прискорити розвиток інших галузей, таких як 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 їхній квантовий процесор Sycamore зміг вирішити спеціалізоване обчислювальне завдання приблизно за 200 секунд, тоді як найпотужніший на той час класичний суперкомп'ютер Summit від IBM потребував би приблизно 10 тисяч років.
У чому прорив Google із квантовим процесором Willow
Відсутність реальної практичної користі від квантових комп’ютерів пояснюється тим, що вони припускаються багато помилок, тобто часто «збиваються» під час роботи через свою вразливість до зовнішніх факторів.
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 в 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.
Власне 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 в середині 1990-их 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 на практиці, 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 вдвічі.
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 вимагатиме, 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 вимагають менше кубітів.
Хоч 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. Простішими словами, власне 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 абсолютно знищити безпеку в інтернеті. Річ у тому, що більшість криптографічних алгоритмів шифрування з відкритим ключем, які зараз використовуються в 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 близько 4 мільйонів фізичних кубітів».
Источник: speka.media