19 СЕКУНД ПРОТИВ ВЕКА РАБОТЫ СУПЕРКОМПЬЮТЕРА

Квантовое превосходство означает демонстрацию того, что квантовый компьютер может выполнить задачу, которую ни один классический суперкомпьютер не завершит за разумное время. Стандартный тест — выборка из случайных схем (random-circuit sampling): к десяткам кубитов применяют последовательность случайно выбранных квантовых вентилей, а затем измеряют их. Результат — поток строк из нулей и единиц, взятых из распределения вероятностей, которое классическим компьютерам воспроизвести невероятно трудно.

Важный момент: у этой задачи нет практического применения. Это эталонный тест — секундомер для чистой вычислительной мощи.

Гонка с обеих сторон

Гонку открыл процессор Sycamore с 53 кубитами, за ним последовали Zuchongzhi 2.0 и 2.1, Sycamore с 67 кубитами и Zuchongzhi 3.0 с 83 активными кубитами. С другой стороны, классические алгоритмы продолжали совершенствоваться и снижали стоимость воспроизведения этих экспериментов на порядки. Поэтому каждое заявление должно точно указывать, с какой классической задачей идёт сравнение.

До сих пор все эти демонстрации проводились на специальных лабораторных машинах, тщательно настроенных под случай.

Процессор, арендованный через облако

Команда стартапа BlueQubit (Сан-Франциско) вместе с коллегами из EPFL и Фонда XPRIZE использовала процессор IBM Nighthawk r2: 120 сверхпроводящих кубитов на квадратной решётке 12 × 10. Доступ к нему они получили через облако, со стандартными инструментами IBM Qiskit и без какой-либо специальной калибровки. Авторы не работают в IBM: они пользовались машиной через стартап-программу IBM и подчёркивают, что их мнение не является мнением IBM.

Они задействовали 61 кубит — три были исключены по данным калибровки, — связанных 102 элементами связи (couplers).

Проверить результат напрямую невозможно: это именно то, чего не могут классические компьютеры. Поэтому команда использовала две независимые оценки точности (fidelity) схемы:

«зеркальный» тест: запустить схему, затем её точную обратную, и проверить, вернулись ли кубиты в исходное состояние, — моделирование не требуется;
тест «по кусочкам» (patch): разрезать схему на 3 или 4 части, достаточно маленькие для моделирования, и проверить каждую.

Цифры

Две оценки согласуются на всех измеренных глубинах.
Точность на цикл: 0,872 против 0,836 у Nighthawk r1 первого поколения — более чем в десять раз лучше после 32–40 циклов.
Опорная точка: 36 циклов, 918 двухкубитных вентилей, точность около 0,0023. Миллион выборок был собран за 19 секунд.
Классическое вычисление всего одной выходной вероятности стоит около 10²² операций — примерно двое суток работы суперкомпьютера Frontier.
Получение того же миллиона выборок классически: около 1,2 × 10²⁷ операций, то есть порядка 110 лет на Frontier.
Весь эксперимент занял около 11 минут работы квантового компьютера.
Известные классические «уловки» — разрезание схемы на части, чтобы имитировать результат, — не дотягивают как минимум в десять раз до измеренного показателя.

Мелкий шрифт

110 лет — это оценка для одного конкретного классического алгоритма, а не абсолютный предел. Она предполагает неограниченную память, что идёт на пользу классической стороне. Другие методы — повторное использование вычислений для многих вероятностей, приближённое моделирование — могли бы снизить стоимость. И, как пишут авторы, история этого теста подсказывает, что некоторые из них это сделают.

Тест, который может повторить каждый

По словам авторов, это первая демонстрация квантового превосходства в стандартной выборке из случайных схем на коммерческом, широко доступном процессоре, которую может воспроизвести большинство пользователей-неспециалистов. Схемы, данные — включая миллион выборок — и код находятся в открытом доступе.