О «квантовом превосходстве»

Квантовые компьютеры начинают приближаться к пределу классического моделирования, и важно, чтобы этот прогресс продолжали оценивать и спрашивать, насколько сложно имитировать.

Последние достижения в области квантовых вычислений привели к появлению двух 53-кубитных процессоров: одного из группы в IBM и устройства, описанного Google в статье, опубликованной в журнале Nature. В статье утверждается, что их устройство достигло «квантового превосходства» и что «современному суперкомпьютеру потребовалось бы приблизительно 10 000 лет для выполнения эквивалентной задачи». IBM утверждает, что идеальное моделирование той же задачи может исполняться на классической системе за 2,5 дня и с гораздо большей точностью. Это на самом деле консервативная оценка в худшем случае, и ожидается, что с дополнительными уточнениями классическая стоимость моделирования может быть дополнительно уменьшена.

Поскольку первоначальный смысл термина «квантовое превосходство», предложенный Джоном Прескиллом (John Preskill) в 2012 году, состоял в том, чтобы описать точку, в которой квантовые компьютеры могут делать то, что классические компьютеры не могут сделать, то этот порог не был достигнут.

Это конкретное понятие «квантового превосходства» основано на выполнении случайной квантовой схемы такого размера, которую невозможно моделировать на любом доступном классическом компьютере. В частности, в статье показан вычислительный эксперимент на 53-кубитном квантовом процессоре, в котором реализована впечатляюще большая квантовая схема с двумя кубитами на затворе глубиной 20, с 430 двухкубитными и 1113 однокубитными затворами и с прогнозируемой общей точностью воспроизведения 0,2%. Их классическая имитационная оценка в 10 000 лет основана на наблюдении, что требование к оперативной памяти для хранения полного вектора состояния в симуляции типа Шредингера было бы непомерно высоким, и поэтому необходимо прибегнуть к симуляции Шредингера-Фейнмана, которая заменяет пространство на время.

Концепция «квантового превосходства» демонстрирует ресурсы, уникальные для квантовых компьютеров, такие как прямой доступ к запутыванию и суперпозиции. Однако у классических компьютеров есть свои собственные ресурсы, такие как иерархия памяти и высокоточные вычисления в аппаратном обеспечении, различные программные активы и обширная база знаний алгоритмов, и важно использовать все эти возможности при сравнении квантовых и классических.

Когда сравнение квантового компьютера Google с классическим было сделано, компания полагалась на расширенное моделирование, которое использует параллелизм, быстрые и безошибочные вычисления и большой совокупный объем ОЗУ, но она не смогла полностью учесть объем дискового пространства. Напротив, классический подход IBM к моделированию в стиле Шредингера использует как ОЗУ, так и пространство на жестком диске для хранения и манипулирования вектором состояния.

Подход IBM к моделированию имеет ряд примечательных свойств, которые не переносятся напрямую из классического мира в квантовый. Например, после классического вычисления вектор полного состояния может быть доступен произвольно много раз.

Создание квантовых систем - это подвиг науки и техники, и их сравнительный анализ - сложная задача. Эксперимент Google - отличная демонстрация прогресса в области квантовых вычислений на основе сверхпроводимости, показывающая самые современные характеристики затвора на 53-кубитном устройстве, но его не следует рассматривать как доказательство того, что квантовые компьютеры «превосходят» классические компьютеры.

У IBM уже есть достаточно доказательств того, что термин «квантовое превосходство» широко неверно истолковывается и вызывает растущую путаницу, и компания настоятельно призывает сообщество рассматривать заявления о том, что впервые квантовый компьютер сделал то, что классический компьютер не может, с большой долей скептицизма из-за сложной природы сравнительного анализа соответствующей метрики.