Google отново на върха: квантовото превъзходство и бъдещето на изчисленията

Екип от учени, ръководен от Google, съобщи за пробив в областта на квантовите изчисления. Те отново демонстрираха квантовото превъзходство – способността на квантовия компютър да извършва изчисления, които класическият компютър не може – но този път се фокусираха върху точността на изчисленията. Учените показаха също, че в изчислителните процеси има фазови преходи, което проправя пътя за по-нататъшно развитие на квантовите технологии.

Още през 2019 г. Google заяви, че е постигнала квантово превъзходство, което предизвика разгорещен дебат в научната общност. По това време IBM постави под въпрос този резултат, твърдейки, че класическите алгоритми могат да бъдат оптимизирани за решаване на аналогични задачи. В нова статия, публикувана в Nature, учените описват експеримент, използващ случайна извадка (Random Circuit Sampling – RCS), по време на който 67-кубитова система извършва 32 цикъла изчисления. Акцентът е поставен не върху квантовото превъзходство, а върху факта, че дори при наличието на шум – основното ограничение за квантовите процесори и главната причина за изчислителните грешки – е възможно да се постигнат изчислителни успехи, които надхвърлят възможностите на класическите компютри. Това доказва, че квантовите изчисления навлизат във фазата на практическите приложения.

Терминът „квантово превъзходство“ предизвиква известна полемика в научната общност. Някои изследователи предпочитат да използват термините „квантова полезност“ (Quantum Utility) или „квантово предимство“ (Quantum Advantage). Последният термин предполага не само теоретично превъзходство на квантовите устройства, но и тяхната практическа полза. За разлика от квантовото превъзходство, което не е свързано с действителната полезност за задачите, квантовото предимство предполага изпълнение на задачите по-бързо и по-ефективно, отколкото при класическите компютри.

Квантовите процесори, въпреки своя потенциал, остават изключително чувствителни към външните шумове, като температурни колебания, магнитни полета и дори космическа радиация. Тези смущения могат значително да намалят точността на изчисленията. В проучването на Google учените изследват влиянието на шума върху производителността на квантовите устройства и провеждат експеримент, при който се изследват два ключови фазови прехода: динамичен преход, който зависи от броя на циклите, и квантов фазов преход, който влияе върху процента на грешките. Резултатите показаха, че дори в условия на шум квантовите системи от ерата на NISQ могат да постигнат изчислителна сложност, недостъпна за класическите системи.

Методът на случайното избиране на вериги (RCS), използван в експеримента, преди това бе критикуван заради неговата простота и очевидна безполезност. Google обаче подчертава, че RCS е ключов метод за решаване на проблеми, които не могат да бъдат решени с помощта на класическите компютри. Този метод оптимизира квантовите корелации, използвайки операции като iSWAP, което не позволява опростяване на класическите емулации. С този подход Google успява ясно да маркира границите на възможностите на квантовите системи, което подхранва конкуренцията между платформите за квантови и класически изчисления.

В проучването се разглеждат и перспективите за практическо използване на квантовите процесори. Един от първите примери може да бъде сертифицираното генериране на истински случайни числа, което изисква висока изчислителна сложност и устойчивост на шум. Серджо Бойшо, ръководител на квантовите изследвания в Google, заяви в интервю за Nature:

„Ако квантовите устройства не могат да демонстрират предимство при RCS, най-простия от случаите на използване, едва ли ще могат да го направят и при каквито и да било други задачи.“

Работата на Google представлява значителен принос в развитието на квантовите технологии. Въпреки че практическото приложение на квантовите устройства остава предизвикателство, области като сертифицираното генериране на случайни числа могат да бъдат първата стъпка към тяхната комерсиална употреба. Въпреки предизвикателствата, свързани с шума, експериментите на Google показват, че преходът от теоретични изследвания към практически приложения на квантовите устройства става все по-възможен.