Для оценки быстродействия суперкомпьютера специалисты по информатике обращаются к стандартному инструменту: набору алгоритмов LINPACK, помогающему проверить, как машина способна решать задачи с огромным количеством переменных. Но для квантовых компьютеров, которые однажды смогут решать задачи, недоступные обычным компьютерам, такого стандарта по измерению быстродействия не существует.
Одна из причин состоит в том, что компьютеры, которые должны будут задействовать законы квантовой механики для ускорения определённых вычислений, пока что находятся в рудиментарном состоянии, а различные возможные схемы устройства таких компьютеров конкурируют между собой. В некоторых из них квантовые биты, или кубиты, используемые для вычисления, заключены в спины последовательности «пойманных» ионов, другие же полагаются на кусочки сверхпроводящих металлов, резонирующих в ответ на микроволновое излучение. Сравнение зачаточных архитектур похоже на то, «как если бы мы отправились в ясли, чтобы решить, какие из младенцев станут известными баскетболистами», говорит Скотт Ааронсон, специалист по информатике из Техасского университета в Остине.
Однако исследователи уже делают первые попытки измерения быстродействия квантовых компьютеров. В июне 2019 Маргарет Мартоноси, специалист по информатике из Принстонского университета, и её коллеги, представили сравнение квантовых компьютеров от IBM, Rigetti Computing из Беркли и Мэрилендского университета (UMD) в Колледж-Парк. Машина из UMD, работающая на пойманных ионах, справилась с большинством из 12 проверочных алгоритмов точнее, чем другие сверхпроводящие компьютеры, и об этом команда сообщила на международном симпозиуме по компьютерным архитектурам в Финиксе. Кристофер Монро, физик из UMD и основатель компании IonQ, предсказывает, что такие сравнения когда-нибудь станут стандартом. «Эти игрушечные алгоритмы дают нам простой ответ – сработал он или нет?». Однако даже Мартоноси предупреждает, что нужно относиться к этим тестам с осторожностью. Анализ даже подчёркивает, насколько сложно сравнивать квантовые компьютеры, и что вследствие этого разработчики вольны выбирать такие метрики, которые выставляют их машины в наилучшем свете.
Обычные компьютеры работают с битами информации, кодируемыми в транзисторах, способных включаться и выключаться, обозначая нолик или единичку. Кубит может одновременно обозначать и ноль, и единицу, кодируя состояние в ионе, спин которого может быть нулевым, единичным, или находиться сразу в обоих состояниях. Кубиты позволяют машине одновременно обрабатывать массив входящих данных, вместо того, чтобы делать это последовательно. Но настоящие возможности машины реализуются не через этот массивный параллелизм, а через подход к задачам, решения которых можно закодировать в квантовых волнах, плескающихся среди кубитов. Волны интерферируют таким образом, что неправильные решения тонут, а верные – всплывают.
Квантовый компьютер сможет, к примеру, взламывать системы шифрования в интернете, основанные на разложении на множители больших чисел – для классического компьютера это очень сложная задача. Но для решения подобных задач потребуется 100 000 кубитов, а также способы коррекции ошибок в чувствительных квантовых волнах. Исследователи говорят, что такие машины не появятся ещё несколько десятилетий. Однако квантовые компьютеры, обладающие всего несколькими десятками зашумлённых кубитов, вскоре смогут посоревноваться с обычными в определённых задачах, и разработчики уже ищут подходящие метрики, чтобы доказать это.
Квантовый скачок
Rigetti Computing ищет приложение, которое сможет дать практическое преимущество квантовому компьютеру на основе сверхпроводящего чипа. Другие компании продвигают иные метрики для измерения прогресса.
| Компания/университет | Основа компьютера | Количество кубитов | Предпочтительная метрика |
|---|---|---|---|
| Сверхпроводники | 72 | Квантовое превосходство | |
| IBM | Сверхпроводники | 20 | Квантовый объём |
| Rigetti Computing | Сверхпроводники | 16 | Квантовое преимущество |
| Мэрилендский университет | Пойманные ионы | 5 | Сравнение тестов |
Одна из распространённых метрик – решение задачи, непосильной для обычного компьютера, или т.н. квантовое превосходство. «Это вроде проекта ‘Hello world!’, демонстрирующего работоспособность вашего квантового компьютера», — говорит Джон Мартинис, физик из Санта-Барбары, руководящий проектом Google по достижению превосходства на машине с 72 сверхпроводящими кубитами.
Выбранная исследователями из Google задача чрезвычайно абстрактна. По сути, они программируют свой квантовый компьютер на выполнение набора постоянно повторяющихся случайных операций над кубитами. Благодаря квантовой интерференции машина должна выдавать определённые последовательности из нулей и единиц с большей вероятностью, чем другие. Если бы интерференции не было, вероятность появления и тех, и других последовательностей была бы одинаковой. Кроме того, предсказание точного распределения результатов работы выходит за пределы возможностей классических компьютеров при росте количества кубитов. Так что, если исследователи из Google смогут измерить это характерное распределение для своей машины из 72 кубитов, это будет означать, что они достигли квантового превосходства, подсчитав нечто, недоступное обычному компьютеру. Однако это загадочное упражнение не откроет эру практически полезных квантовых компьютеров, говорит Грег Куперберг, математик из Калифорнийского университета в Дэйвисе. «Это превосходство в решении совершенно бесполезной задачи».
Исследователи из Rigetti, наоборот, стремятся продемонстрировать, что их квантовый компьютер способен выполнять некие полезные задачи точнее, быстрее или дешевле обычного – эту метрику они назвали квантовым преимуществом. «Мы хотим достичь свойств, способных указать нам кратчайший путь к коммерческой ценности», — говорит Чад Риджетти, физик и основатель стартапа. К примеру, говорит он, квантовый компьютер может идеально подойти для моделирования сложных взаимодействий финансовых активов в хедж-фонде.
В сентябре 2018 года Риджетти предложил $1 млн первому пользователю, сумевшему достичь квантовых преимуществ на его компьютерах, доступных всем желающим. Текущая версия использует 16 сверхпроводящих кубитов. Поскольку в метрику включены такие факторы, как стоимость, у квантового преимущества не такое строгое определение, говорит Арам Хэрроу, физик из Массачусетского технологического института. «Но если они немного размыто, для Риджетти это не страшно», — говорит Хэрроу.
Исследователи из IBM определили свою метрику, квантовый объём – она измеряет быстродействие квантовых компьютеров без сравнений с обычными. В неё входит проверка квантового компьютера на случайных вычислениях, подобных тем, что делают в Google. Она зависит как от количества кубитов, так и от количества вычислительных циклов, которое способна выдержать машина перед тем, как размоется её квантовое состояние.
Используя машину с 20 сверхпроводящими кубитами, учёные из IBM достигли квантового объёма в 16 единиц, и планируют удваивать его ежегодно, сказал Джей Гамбетта, физик из Исследовательского центра IBM им. Томаса Уотсона в Йорктаун-Хайтс, Нью-Йорк. Он говорит, что за этим естественным образом последуют и прорывные приложения. «Не думаю, что стоит метить на что-то вроде превосходства. Это мы осознаем, когда будем двигаться в сторону всё более крупных достижений».
А есть ещё прямое сравнение, как у Мартоноси. В её тестах 5-кубитная машина на ионах правильно решала все задачи в 90% случаев, по сравнению с машинами на сверхпроводящих кубитах, решавших задачи не более, чем в 50% случаев. Такая разница отражает текущее состояние технологий, но не их потенциал, говорит Мартоноси. К примеру, в сверхпроводящей машине каждый кубит взаимодействует только с соседями, но каждый ион в машине от UMD взаимодействует со всеми остальными ионами, и это даёт ей преимущество. Но у более крупных машин на ионах такого преимущества уже не будет.
Мартоноси говорит, что сравнения демонстрируют значительное улучшение работы всех квантовых компьютеров, когда их программируют с учётам разницы в зашумлении кубитов и их связности. «Это работает на совершенно разнообразных вариантах аппаратных схем, — говорит она. – И это очень здорово».
Хэрроу интересуется, насколько полезными текущие метрики окажутся в долгосрочной перспективе. Главная трудность в квантовых вычислениях – найти технологию, которую можно масштабировать на тысячи кубитов, говорит он. «А эти метрики очень слабо связаны с вопросами масштабирования».
