Превосходство: пять самых мощных квантовых компьютеров и зачем они нужны

Привычные компьютеры, которые можно найти в любом офисе или квартире, хранят информацию в двоичном коде, а наименьшей единицей хранения информации является бит, принимающий одно из двух значений: 0 или 1. При решении той или иной задачи компьютер проводит множество последовательных операций с битами. Квантовые компьютеры работают абсолютно по-другому: для решения задач они используют квантовые биты, или кубиты. Они могут существовать одновременно во множестве состояний, поэтому квантовый компьютер не перебирает для вычислений все возможные комбинации битов, а основывается на вероятностном принципе. По сути, результатом его работы является распределение вероятностей возможных ответов, наиболее вероятный из которых обычно является верным.

Для вычислений квантовые компьютеры используют такие свойства квантовых систем, как суперпозиция и запутанность. В суперпозиции квантовые частицы представляют собой комбинацию всех возможных состояний, пока не произойдет их наблюдение и измерение. Запутанные кубиты образуют единую систему и влияют друг на друга — измерив состояние одного кубита, возможно сделать вывод и об остальных. С увеличением числа запутанных кубитов растет и способность квантовых компьютеров обрабатывать информацию. Принцип суперпозиции позволяет квантовому компьютеру хранить и одновременно обрабатывать гораздо больше данных, чем любому другому, а возможность вычислять и анализировать разные состояния данных одновременно обеспечивает получение результатов с высокой скоростью.

Нынешний уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, однако при этом неизбежно возникает сложность с устойчивостью подобной системы. Кубиты легко теряют заданное квантовое состояние при взаимодействии с окружением, а в работе квантового компьютера растет количество ошибок. Чтобы обеспечить устойчивость вычислений, систему требуется изолировать от любого фонового шума — например, путем охлаждения до температуры, близкой к абсолютному нулю. Первый двухкубитный квантовый компьютер появился в 1998 году в США и работал на явлении ядерного магнитного резонанса. Он использовался Оксфордским университетом, исследовательским центром IBM и Калифорнийским университетом в Беркли вместе с сотрудниками Стэнфордского университета и Массачусетского технологического института. На сегодняшний день самыми мощными считаются пять квантовых компьютеров из разных стран.

Sycamore

Корпорация Google в октябре 2019 года заявила, что добилась квантового превосходства — 54-кубитный квантовый процессор Sycamore сумел превзойти один из мощнейших в мире суперкомпьютеров Summit разработки IBM в задаче генерации случайных числовых строк. Sycamore выполнил ее за 200 секунд, тогда как у классического суперкомпьютера на это ушло бы 10 000 лет. В IBM, впрочем, отметили, что суперкомпьютер Summit, способный производить 200 петафлопс, справился бы и за два с половиной дня, но доказательств не предоставили.

Jiuzhang

76-кубитный квантовый компьютер Jiuzhang разработан учеными из Научно-технического университета КНР и стал первым в мире фотонным вычислителем, который достиг квантового превосходства. В декабре 2020 года разработчики заявили, что их компьютер успешно выполнил гауссовский бозонный сэмплинг всего за 200 секунд. Аналогичную задачу китайский суперкомпьютер Sunway TaihuLight решил бы за два с половиной миллиарда лет. Более того, китайцы заявили, что Jiuzhang в десять миллиардов раз быстрее процессора Sycamore. Правда, они принципиально отличаются друг от друга — Google работает со сверхпроводниковыми цепочками, а Jiuzhang использует оптические квантовые вычислители.

Zuchongzhi

Еще один китайский квантовый компьютер из Научно-технического университета КНР работает на сверхпроводящем 66-кубитном квантовом процессоре. Процессор решил задачу по моделированию случайных квантовых цепочек за 72 минуты. При этом, отмечают создатели, задача была примерно в 100 раз сложнее, чем та, которую решал квантовый процессор Google Sycamore. В отличие от Jiuzhang, который выполняет лишь одну задачу, Zuchongzhi способен выполнять самые разные вычисления.

Quantum System One

Quantum System One от компании IBM с 27-кубитным процессором Falcon является самым мощным коммерческим квантовым компьютером. Он установлен на территории Института Фраунгофера в Германии, а пользоваться им будут учебные заведения и коммерческие предприятия. Запуск Quantum System One назвали первым шагом к коммерческому использованию технологии квантовых вычислений. Компьютер обеспечивает длительное время когерентности и точность операций при низком уровне шума.

Advantage

Квантовый процессор D-Wave Advantage на 5760 кубитов использует технологию квантового отжига и может решать лишь весьма ограниченный круг задач — без классических для квантовых компьютеров алгоритмов. Google проводила независимые тесты процессора D-Wave 2X с 1152 кубитами и подтвердила, что он работает до 180 миллионов раз быстрее, чем классические алгоритмы. С использованием технологии D-Wave работает бесплатный облачный сервис Leap для создания и развертывания различных гибридных квантовых приложений.