Квантовият компютър на IBM извършва за 19 секунди задача, която би отнела век на суперкомпютър

Някои изчислителни задачи са толкова сложни, че за изпълнението им е необходима изключително мощна инфраструктура.

Именно за това служат суперкомпютрите – огромни изчислителни системи с колосален капацитет от графични и централни процесори, които решават задачи, за чието изпълнение на обикновен настолен компютър биха били необходими стотици, а понякога и хиляди години.

Сега обаче комерсиално достъпен квантов компютър постигна резултат, който подсказва, че в бъдеще тази технология може да остави дори суперкомпютрите далеч зад себе си.

Само за 19 секунди процесорът Nighthawk r2 на IBM генерира един милион резултатни извадки – задача, която според оценките би отнела на суперкомпютър около 110 години.

Резултатите от експеримента са описани в научен препринт, който в момента е достъпен в arXiv.

„Доколкото ни е известно – пишат изследователите в публикация, ръководена от теоретичния физик на кондензираната материя Тигран Седракян от американската компания BlueQubit, – това е първата демонстрация на квантово предимство при стандартно семплиране на случайни квантови схеми върху комерсиален и широко достъпен квантов процесор, която може сравнително лесно да бъде възпроизведена и от потребители без задълбочена експертиза в областта на квантовите изчисления.“

nighthawk.jpg

Nighthawk r2 – квантовият процесор от настоящото поколение на IBM.

Надпреварата за т.нар. квантово предимство между суперкомпютрите и квантовите машини набира истинска скорост през 2018 г.

В основата ѝ стои идеята, че трябва да съществува квантова задача, чието изпълнение е непосилно трудно – ако не и практически невъзможно – за класически компютър.

През 2018 г. изследователи от Калифорнийския университет в Бъркли представят убедителни теоретични доказателства, че подходящ кандидат е т.нар. random circuit sampling (RCS) – семплиране на случайни квантови схеми.

Квантовата схема представлява последователност от операции, извършвани върху кюбити – донякъде подобно на операциите с битове в обикновения компютър.

При RCS операциите се избират до голяма степен на случаен принцип, което води до все по-сложно квантово състояние. След това процесорът измерва това състояние многократно и генерира поредици от единици и нули – отделните резултатни извадки.

Самото им генериране не е особено сложно. Проблемът идва, когато броят на кюбитите и операциите започне да нараства. Тогава изчисляването на вероятностното разпределение, необходимо, за да бъдат възпроизведени същите резултати с класически компютър, се превръща в почти сизифовска задача.

Причината се крие в особените свойства на кюбитите, сред които суперпозицията и квантовото заплитане – явления, които стоят в основата на огромния потенциал на квантовите компютри.

През 2019 г. Google обяви, че неговият 53-кубитов процесор Sycamore е извършил RCS експеримент, който по онова време е бил извън практическия обсег на класически суперкомпютър.

Не след дълго обаче изследователите в областта на класическите изчисления започват да откриват нови и по-ефективни начини за възпроизвеждане на тези резултати. Успоредно с това специалистите по квантови технологии продължават да увеличават възможностите на своите системи, използвайки най-съвременния наличен хардуер.

Новият резултат обаче се различава съществено от предишните опити.

Вместо да използват специално разработен експериментален квантов процесор, Седракян и колегите му провеждат изследването си с Nighthawk r2 – свръхпроводников квантов процесор със 120 кюбита, до който потребителите имат комерсиален достъп чрез облачната платформа на IBM.

Учените използват 61 от кюбитите и ги подлагат на случайни квантови схеми с постепенно нарастваща сложност – до 40 цикъла. Всеки цикъл представлява нов кръг от операции, при които 61-те кюбита се манипулират и заплитат квантово.

Особено важно е, че всичко това е извършено чрез стандартния работен процес на облачната платформа, без специално калибриране на машината за конкретния експеримент.

Най-добрият баланс е постигнат при 36 цикъла, когато схемата включва 918 двукубитови логически операции. При тези условия Nighthawk r2 генерира един милион извадки само за 19 секунди.

Колкото и впечатляващо да звучи, това всъщност е по-лесната част от експеримента.

Много по-трудно е да се определи колко време би било необходимо на класически компютър, за да изпълни същата задача.

Тъй като самата идея на експеримента е, че подобно изчисление е практически непосилно за суперкомпютър, а най-мощните подобни машини в света са изключително натоварени и скъпи за използване, учените не могат просто да стартират програмата на една от тях и да изчакат резултата.

Затова използват друг подход – техника, известна като контракция на тензорни мрежи. Чрез нея може да се оцени какъв изчислителен ресурс би бил необходим, за да бъде симулирана дадена квантова схема върху класически компютър.

Разработването на все по-мощни методи за обработка на информация е част от по-широкия технологичен напредък, който променя начина, по който се решават задачи с огромна изчислителна сложност и разширява възможностите на съвременните технологии.

С този метод Седракян и колегите му изчисляват, че възпроизвеждането на един милион извадки би изисквало около 1,2 × 1027 изчислителни операции.

Frontier е първият екзаскейл суперкомпютър в света и до 2024 г. държи първото място по производителност. Максималният му капацитет надхвърля един квинтилион (1 × 1018) операции в секунда.

При по-консервативна оценка за реално поддържаната му производителност изследователите стигат до заключението, че изпълнената от Nighthawk r2 задача би изисквала приблизително 110 години изчислително време на подобна класическа система.

Развитието на такива машини е част от много по-широкия стремеж на науката да разполага с все по-мощни инструменти за изследване на сложни физични явления – от високопроизводителните изчисления до проучването на елементарните частици и фундаменталните закони на природата.

Тук обаче има важно уточнение. Тези 110 години не представляват някаква непреодолима граница за класическите компютри. Това е оценка, направена въз основа на конкретен метод за възпроизвеждане на квантовия експеримент.

Историята вече неведнъж е показвала, че специалистите по класически изчисления умеят да намират значително по-ефективни решения. Нови алгоритми и оптимизации биха могли съществено да намалят изчислителния ресурс, необходим за същата задача.

Седракян и колегите му изрично посочват тази възможност. Те не твърдят, че никой класически компютър никога няма да успее да се изравни с Nighthawk r2. Изводът им е по-конкретен: според използвания в изследването критерий квантовият процесор в момента има значителна преднина.

Така резултатът се превръща в поредното предизвикателство в надпреварата за квантово предимство. Целта не е да бъде обявен окончателен победител, а да продължи съревнованието, което кара и двете страни да търсят все по-добри начини за извършване на сложни изчисления.

Именно това прави новия експеримент особено интересен: квантовото предимство не е демонстрирано със специално създадена лабораторна система, а с комерсиално достъпен хардуер.

Изследователите подчертават, че експериментът е проведен с „публично достъпен QPU чрез облачна платформа“ и със стандартния облачен софтуерен стек. Те са публикували и използваните квантови схеми, получените извадки и кода за анализ, така че други изследователи да могат самостоятелно да проверят резултатите.

Тъкмо възможността такива системи да бъдат използвани извън специализирани лаборатории може да се окаже решаваща за бъдещото развитие и практическото приложение на квантовите компютри.

Предизвикателството вече е отправено. Остава да видим кой ще го приеме.

Резултатите все още не са преминали през процедура на научно рецензиране. Препринтът на изследването е достъпен в arXiv.