Квантовая революция: что известно про новый чип Willow от Google

Google представил новую разработку — квантовый чип Willow. Он способен решать задачи, которые требуют от современных суперкомпьютеров времени, в триллионы раз превышающего возраст Вселенной, — и делает это всего за несколько минут. «Сноб» разбирался, что это означает для науки, технологий и общества.

Что такое квантовые вычисления и почему это важно?

Чтобы понять, в чем революция квантовых вычислений, начнем с классической аналогии. Обычные компьютеры, которыми мы пользуемся каждый день, работают с битами — это единицы информации, которые принимают одно из двух значений: 0 или 1. Это как лампочка, которая может быть либо включена, либо выключена.

Квантовые компьютеры используют вместо битов кубиты, которые подчиняются законам квантовой механики. В мире кубитов та же лампочка может быть одновременно и включенной, и выключенной, и находиться в промежуточных состояниях. Это явление называется квантовой суперпозицией. Благодаря этому свойству кубиты способны обрабатывать огромное количество вариантов одновременно, что делает их невероятно мощными.

Но на этом квантовая магия не заканчивается. Еще одно удивительное свойство — запутанность. Кубиты могут «синхронизироваться» друг с другом, даже если они находятся на расстоянии. Это позволяет им работать вместе и решать задачи с невероятной скоростью.

Однако квантовые вычисления сталкиваются с серьезной проблемой: кубиты очень нестабильны. Они легко теряют информацию из-за взаимодействия с окружающей средой, а это приводит к ошибкам. Преодоление этих ошибок — ключевая задача на пути к созданию надежного квантового компьютера. И Google с Willow сделал важнейший шаг в ее решении.

Willow: на шаг ближе к квантовому будущему

Кубиты, основные единицы квантовых компьютеров, чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям. Любое взаимодействие с окружающей средой — например, тепло, шум или даже микроскопическое колебание — может нарушить их состояние и привести к ошибкам. Более того, чем больше кубитов добавляется в систему, тем больше ошибок накапливается, а это делает вычисления непригодными.

Чтобы квантовый компьютер мог работать надежно, необходимо снизить уровень ошибок до определенного значения, известного как порог ошибок (below threshold). Этот «порог» — минимальное значение, при котором система сохраняет устойчивость и масштабируется, то есть остаётся работоспособной, даже если число кубитов увеличивается.

Команда Google добилась этого с помощью метода квантовой коррекции ошибок. Суть метода заключается в том, что несколько физических кубитов объединяются в «логический кубит». Логический кубит не только хранит информацию, но и способен самостоятельно «исправлять» возникающие ошибки. Это делает его значительно более устойчивым в сравнении с предшественниками.

Для демонстрации технологии Google протестировал чип Willow, увеличивая размеры сетки из физических кубитов. Вначале использовалась сетка размером 3×3, то есть состоящая из 9 кубитов. Затем масштабирование продолжилось до сеток 5×5 (25 кубитов) и 7×7 (49 кубитов).

Каждое увеличение сетки сопровождалось применением новых алгоритмов коррекции ошибок. Результат оказался впечатляющим: несмотря на увеличение числа кубитов, количество ошибок не росло, а, наоборот, сокращалось вдвое на каждом этапе.

Впервые за 30 лет работы над квантовыми компьютерами инженеры смогли показать, что увеличение числа кубитов в системе не приводит к её нестабильности. Наоборот, чем больше кубитов (и чем мощнее компьютер), тем экспоненциально меньше ошибок чип совершает. И вот результат: разработчики Willow взяли сложнейшую вычислительную задачу, на решение которой у современного суперкомпьютера ушло бы 10 септиллионов лет. 10 септиллионов — это число с 25 нулями. Чтобы ещё наглядней: это такой срок, который больше возраста нашей Вселенной примерно в 700 триллионов раз. Willow решил задачу за 5 минут.

Что дальше?

Google ставит перед собой амбициозные задачи: создать квантовый компьютер, который сможет выполнять полезные, «выходящие за пределы классики» вычисления, имеющие значение для реального мира. Среди таких задач:

• Оптимизация искусственного интеллекта. Квантовые компьютеры могут ускорить обучение нейронных сетей, особенно в задачах, связанных с анализом сложных данных.
• Разработка новых материалов и молекул, которые невозможно моделировать с помощью классических компьютеров.
• Решение глобальных энергетических проблем: создание более эффективных источников энергии и систем их хранения.

Один из основателей Google Quantum AI, Хартмут Невен, объяснил, почему квантовые вычисления и искусственный интеллект так тесно связаны. По его словам, квантовые алгоритмы могут предоставить фундаментальные преимущества в масштабируемости и скорости обработки данных, что особенно важно для развития ИИ. Например, квантовые системы способны генерировать данные для обучения, которые недоступны обычным компьютерам.

В перспективе квантовые компьютеры могут стать основой для разработки более точных моделей искусственного интеллекта, что откроет новые горизонты в таких областях, как медицина, энергетика и климатология.

В 2019 году другой квантовый процессор Google — Sycamore — решил сложное математическое уравнение за три с небольшим минуты, тогда как суперкомпьютеру на это потребовалось бы около 10 тысяч лет. 10 септиллионов лет — это несравнимо больше, чем 10 тысяч, но, по сути, это лишь усиление разрыва между квантовыми и классическими вычислениями на уровне теоретических задач. Станет ли нынешнее достижение шагом к созданию новых материалов или прорывных лекарств, а не только демонстрацией вычислительных возможностей — пока загадка. Но перед исследователями стоят все те же вызовы, что и раньше: не только увеличить производительность квантовых систем, но и найти способы их коммерческого применения.

Автор: Чермен Дзгоев