Китай доказал квантовое превосходство

Когда, в прошлом году, исследователи из принадлежащей Google лаборатории квантовых вычислений в Санта-Барбара (штат Калифорния), объявили, что им удалось впервые в истории продемонстрировать решающее преимущество квантовых компьютеров над классическими — квантовое превосходство — эта новость встретила в научных кругах скептический приём. Оппоненты утверждали, что результаты, показанные системой Sycamore с 53 сверхпроводящими кубитами, могут быть воспроизведены улучшенными классическими алгоритмами. Компания IBM подлила масла в огонь, добавив, что её суперкомпьютеры уже сейчас способны выполнить занявшие у Sycamore 200 секунд расчёты 253 квантовых амплитуд вероятности за 2,5 дня, а не за 10 тыс. лет, как утверждала Google.

После этого, задачей достижения квантового превосходства вплотную занялась команда из Китая в рамках мегапроекта, призванного обеспечить этой стране решающее превосходство над США в квантовых вычислениях к 2030 году.

Вполне ожидаемо, группу эту возглавил «квантовый отец нации», как в местных СМИ именуют Цзянь Вэй Паня (Jian-Wei Pan). Профессор «китайского Калтеха» — Научно-технического университета Китая (USTC), он девять лет назад стал самым молодым членом Китайской Академии Наук. Пань совершил ряд открытий, которые возвели его на самую вершину научного «Олимпа» Китая, включая осуществлённый в сентябре 2017 года первый в мире сеанс межконтинентальной спутниковой видеосвязи с квантовым шифрованием.

Неделю назад, в статье для журнала Science, профессор Пань рассказал об эксперименте, в ходе которого фотонная квантовая система Jiuzhang за три с небольшим минуты выполнила вычисления, практически невозможные для обычных компьютеров — тем потребовалось бы на них время, эквивалентное половине возраста Земли.

Более того, как указал Пань, решавшаяся ими задача бозонной выборки — вычисление распределения вероятностей множества бозонов — не просто умозрительная проблема для демонстрации квантового превосходства: она имеет потенциальные практические приложения в теории графов, квантовой химии и машинном обучении.

Скотт Ааронсон (Scott Aaronson) и Алекс Архипов, сформулировавшие эту задачу в 2011 году, математически обосновали, что по вычислительной сложности — #P — она превосходит даже известные NP-сложные проблемы.

В китайском эксперименте, квантовый компьютер с фотонными кубитами, работавший при комнатной температуре, вместо того, чтобы решать проблему прямыми расчётами симулировал собственно квантовый процесс: позволял бозонам взаимодействовать и делал выборку из получившегося распределения.

Такой подход и позволил Паню с коллегами за 200 секунд найти ответ, на получение которого китайский суперкомпьютер TaihuLight, по их оценкам, должен затратить 2,5 млрд лет. Квантовое превосходство в данном случае выражается цифрой 10¹⁴.

Убедительной данную демонстрацию считает Кристиан Видбрук (Christian Weedbrook), исполнительный директор канадского стартапа Xanadu, занимающегося разработкой коммерческого фотонного квантового компьютера. «Поскольку [эксперимент] очень близок к оригинальной схеме Ааронсона-Архипова, крайне маловероятно, что можно найти лучший классический алгоритм», — заявил он.

В то же время, глава Xanadu отметил, что, в отличие от Sycamore, китайская схема Jiuzhang не является программируемой и в своём нынешнем виде не подходит для решения практических проблем. Если же авторам удастся на её основе создать программируемый чип, это позволит решить сразу несколько настоятельных вычислительных задач, включая прогнозирование того как колеблются и соединяются между собой белковые молекулы.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI