Миллион лет сжался в минуты: что сулит эра квантового превосходства — прорыв или катастрофа

Фото: Syntx AI

Представьте, что вы пытаетесь найти одну-единственную нужную вам песчинку на всех пляжах планеты сразу. Сколько времени у вас уйдёт на это? Суперкомпьютер перебирал бы их по одной — и потратил бы на это миллион лет. А квантовый компьютер — считанные минуты. Его уникальность в том, что он как будто «видит» сразу весь пляж и мгновенно указывает: «Вон та».

Именно это и произошло с прототипом квантового компьютера под названием Advantage 2, который разработали учёные из калифорнийской компании D-Wave Quantum Inc. Только вместо песчинок они искали оптимальную конфигурацию атомов в магнитном материале. В D-Wave Quantum Inc. заявили, что их Advantage 2 решил эту задачу действительно за считаные минуты. Для сравнения: суперкомпьютеру Frontier, входящему в список TOP500 самых мощных компьютеров планеты, на то же самое потребовалось бы около миллиона лет.

Калифорнийский стартап, который уже полтора десятилетия занимается квантовыми вычислениями, сообщил о достижении «квантового превосходства» на практически значимой задаче. Но так ли всё однозначно? В мире квантовой физики громкие заявления редко остаются без ответа. Почти сразу после публикации в журнале Science две независимые группы исследователей — из Швейцарского федерального технологического института (EPFL) и Института Флэтайрон в США — выступили с опровержениями, заявив, что классические компьютеры тоже способны справиться с этой задачей.

Своим мнением насчёт научного спора поделился аспирант института № 8 «Компьютерные науки и прикладная математика» Московского авиационного института Самир Ахмедов.

От CDC 6600 до Frontier: эволюция суперкомпьютеров

Прежде чем говорить о квантовой революции, стоит оценить масштаб того, с чем сравнивают свои результаты учёные из D-Wave. История суперкомпьютеров началась в 1960-х, когда инженер Сеймур Крей создал CDC 6600 — машину, которая впервые заставила говорить о «сверхвычислениях». С тех пор гонка производительности не прекращалась.

Сегодняшний Frontier, установленный в Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) Министерства энергетики США, — это настоящий монстр вычислительной мысли. Он построен на архитектуре HPE Cray EX235a с процессорами AMD EPYC и графическими ускорителями Instinct MI250X, объединяя более 8,7 миллиона ядер CPU и GPU. Его производительность в тесте Linpack достигает 1,206 экзафлопса — это больше квинтиллиона операций с плавающей точкой в секунду. Чтобы вы представили этот масштаб: если всё население Земли будет круглосуточно считать на калькуляторах, нам потребуются годы, чтобы сделать то, что Frontier просчитывает за одну секунду. И всё это «великолепие инженерной мысли», потребляющее энергию примерно как десятки тысяч домохозяйств, оказалось бессильно перед задачей, которую квантовый компьютер щёлкает как орешки за 20 минут…

Как пояснил Самир Ахмед, такие машины нужны для моделирования ядерных процессов, прогнозирования климата, расчёта новых материалов и лекарств. Но есть класс задач, где даже экзафлопсной мощи недостаточно. Это задачи, требующие перебора невероятного количества комбинаций — например, моделирование квантовых систем. Здесь мы сталкиваемся с фундаментальным ограничением: классическая архитектура требует экспоненциального роста ресурсов при увеличении сложности системы. То есть если обычную задачу усложнить в два раза, суперкомпьютеру нужно в два раза больше времени. А здесь, если усложнить задачу в два раза, времени потребуется не в два, а в миллион раз больше — и это тупик.

— На самом деле построение полноценных квантовых компьютеров является крайне трудоёмкой задачей, связанной с необходимостью обеспечения стабильности кубитов и реализации механизмов коррекции ошибок. В связи с этим сегодня наибольшее распространение получили экспериментальные и прототипные решения с ограниченным числом «шумных» — высокочувствительных и часто ошибающихся из-за лишнего шума — кубитов, зачастую без полноценной поддержки коррекции ошибок (эпоха NISQ), — поясняет Самир Ахмед.

Что такое квантовый отжиг и почему D-Wave пошла этим путём?

В отличие от Google, IBM или Российского квантового центра, которые работают над созданием универсальных (вентильных) квантовых компьютеров, D-Wave выбрала иную стратегию. Компания уже почти два десятилетия развивает технологию квантового отжига (quantum annealing). Это специализированный подход, не предназначенный для запуска любых алгоритмов, но оптимальный для решения задач комбинаторной оптимизации.

Как это работает? Обычный компьютер перебирает варианты по очереди — медленно и последовательно. А квантовый благодаря своим странным законам (суперпозиции и запутанности) может просчитывать тысячи вариантов одновременно. Поэтому там, где обычный компьютер будет миллион лет перебирать комбинации атомов, квантовый просто «видит» правильный ответ почти сразу.

В начале вычисления система находится в суперпозиции всех возможных состояний, а затем медленное изменение параметров (магнитных полей) заставляет её «остывать» и сходиться к состоянию с наименьшей энергией — то есть к оптимальному решению.

— Привлекательной особенностью квантовых вычислений является способность эффективно обрабатывать огромные пространства состояний за счёт использования суперпозиции и квантовой запутанности — фундаментальных эффектов квантовой механики. При этом под эффективностью подразумевается потенциальное превосходство над классическими вычислениями в ряде задач, — подчёркивает аспирант МАИ.

Суперпозиция — это когда кубит находится одновременно и в состоянии 0, и в состоянии 1. Как знаменитый кот Шрёдингера, который в коробке одновременно и жив, и мёртв, пока мы не откроем крышку и не проверим. Только вместо кота — крошечная частица, а вместо жизни и смерти — два возможных значения (0 и 1), в которых она пребывает одновременно, пока мы не начнём измерять. А запутанность — это связь между кубитами, когда изменение одного мгновенно влияет на другой, даже если они разнесены на километры. Вместе эти эффекты позволяют квантовому компьютеру просчитывать миллионы вариантов одновременно.

Уже в 2011 году D-Wave выпустила первый коммерческий квантовый отжигатель, а в 2017-м представила систему с 2000 кубитов. Сегодняшний Advantage 2 использует топологию связи Pegasus, где каждый кубит взаимодействует с 15 соседями, что позволяет решать задачи с более чем миллионом переменных.

Задача, которую не мог решить Frontier

Итак, какую же конкретно задачу решали исследователи? Речь идёт о моделировании программируемых спиновых стекол — сложных магнитных материалов, где спины атомов взаимодействуют хаотичным образом. Спин атома можно представить как крошечную стрелку компаса, которая смотрит либо вверх, либо вниз. В обычном магните все стрелки смотрят дружно в одну сторону, а в спиновом стекле они торчат хаотично, как иголки в куче, и постоянно влияют друг на друга — понять поведение такого материала невероятно сложно.

Эти материалы критически важны для разработки датчиков, двигателей, устройств памяти и даже медицинского оборудования. Почему? Дело в том, что спиновые стёкла лежат в основе многих технологий, которыми мы пользуемся каждый день. Например, жёсткие диски компьютеров хранят информацию благодаря магнитным свойствам материалов — если мы поймём, как ведут себя атомы в хаотичных магнитных структурах, мы сможем создавать диски в тысячи раз более ёмкие, чем сейчас. В медицине спиновые стёкла помогают улучшить томографы: чем точнее мы понимаем магнитные свойства тканей, тем более чёткие снимки опухолей и сосудов получают врачи. А в двигателях электромобилей использование оптимизированных магнитных материалов позволяет снизить потери энергии и увеличить запас хода на одной зарядке. Так что расчёты, которые провела D-Wave, в перспективе могут сделать вашу технику мощнее, а лечение — эффективнее.

Главная проблема сегодня заключается в том, что для точного моделирования динамики такой системы после «квантового толчка» (quantum quench) необходимо проследить эволюцию волновой функции во времени. «Квантовый толчок» можно сравнить с тем, как резко пнуть муравейник и попытаться предсказать, куда побежит каждый муравей. Только вместо муравьёв здесь — атомы, и они подчиняются не интуиции, а запутанным квантовым законам. 

Классические методы, включая нейросетевые подходы и тензорные сети, сталкиваются с экспоненциальным ростом вычислительной сложности. Это значит, что всякий раз, когда вы добавляете в систему ещё один атом, объём вычислений не просто увеличивается, а удваивается, утраивается или даже растёт в геометрической прогрессии — очень быстро доходит до космических цифр. Запутанность между частицами растёт так быстро, что представить состояние системы классическим способом становится невозможно — требуется хранить огромные массивы данных.

D-Wave использовала свой прототип с 1200 кубитами и смоделировала фазовые переходы в магнитной системе. Эндрю Кинг, ведущий научный сотрудник компании, сравнивает это с образованием узоров на замерзающем стекле.

— Когда вода превращается в лёд, иногда можно увидеть красивые кристаллические узоры. Наши эксперименты проливают свет на квантовый аналог этого явления, происходящий в магнитном материале, который был запрограммирован в наших квантовых процессорах, — отмечает Эндрю Кинг.

Оценка времени, необходимого суперкомпьютеру Frontier, — миллион лет — была получена путём экстраполяции. Исследователи протестировали несколько классических алгоритмов (включая методы нейросетей) на задачах меньшей размерности и проследили, как время решения растёт с увеличением сложности. Для самой сложной решётки экстраполяция дала буквально астрономическую цифру.

Скептики не сдаются: здоровая научная дискуссия

Однако у всей этой истории есть важный нюанс. Как только D-Wave опубликовала результаты, нашлись скептики — две группы учёных из Швейцарии и США, которые заявили, что на небольших объёмах данных обычные компьютеры считают ничуть не хуже. Это можно сравнить с тем, как если бы одни учёные заявили, что изобрели велосипед, который едет 100 километров в час, а обычному велосипеду на это потребуется миллион лет. А скептики им перечили, отмечая, что сами проезжали на обычном велосипеде один километр за минуту, и у них тоже было всё хорошо. А до 100 километров просто пока не доезжали. D-Wave в таком случае ответили бы скептикам тем, что проблема как раз и заключается в том, что на всю дистанцию у конкурентов просто может не хватить сил и их колёса отвалятся на первом повороте. 

Так что спор идёт не о том, умеют ли классические компьютеры считать в принципе, а о том, хватит ли у них сил, когда задача станет по-настоящему большой.

Означает ли это, что D-Wave ошиблась? Не совсем. Как отмечает авторитетное издание Physics World, опровержения касаются лишь более простых конфигураций и не достигают масштаба D-Wave.

Дэниел Лидар из Университета Южной Калифорнии, ранее сотрудничавший с D-Wave, назвал работу прорывом, подчеркнув, что возможность быстрого отжига на временных масштабах когерентности кубитов — времени, в течение которого они помнят своё квантовое состояние и могут делать большие просчёты. прежде чем снова превратиться в базовые кубиты, — стала возможна только сейчас. 

— В большинстве случаев квантовое превосходство демонстрируется на специально сконструированных (синтетических) задачах, которые не всегда успешно транслируются в прикладные сценарии. Тем не менее существуют и более практико-ориентированные примеры: в частности, компания D-Wave Systems продемонстрировала квантовое превосходство в задачах моделирования программируемых спиновых стекол. Данная задача представляет интерес как для материаловедения, так и для решения задач оптимизации, — комментирует ситуацию Самир Ахмед.

Говоря проще, раньше квантовые компьютеры доказывали свою высокую работоспособность на задачах вроде «докажи, что 15 = 3 × 5». Это впечатляло учёных, но задачи бизнеса никак не решало. А теперь они взялись за действительно сложную задачу про магнитные материалы, решение которой позволит создавать более мощные двигатели, компактные датчики и эффективную электронику.

Фрэнк Верстрате из Кембриджского университета добавляет, что D-Wave исторически были чемпионами по преувеличению своих достижений. 

— Но сейчас они сделали нечто, что никто другой не может воспроизвести, и в этом смысле это очень интересно, — констатирует Верстате.

От теории к практике: где работают квантовые отжигатели уже сегодня

Несмотря на споры о «превосходстве», технология D-Wave уже нашла практическое применение. Так, например, системы компании используются японским мобильным оператором NTT Docomo для оптимизации работы вышек сотовой связи. Для наглядности можно представить, как миллион людей в Токио, одновременно заходят в интернет, и у сетей есть задача распределить сигнал между вышками так, чтобы у всех людей была связь и никто не зависал. Квантовый отжигатель найдёт идеальную схему за секунды. Автомобильные концерны и производители продуктов питания применяют квантовые отжигатели для оптимизации логистических сетей.

В России также ведутся активные квантовые разработки. Работают профильные научные центры, такие как Российский квантовый центр (РКЦ), предлагающий, в частности, использование кудитов — квантовых ячеек с большим числом состояний — в качестве альтернативы кубитам. Если кубит — это своего рода выключатель, то кудит — это как регулятор громкости с множеством положений. Теоретически это позволит хранить и обрабатывать ещё больше информации. 

Госкорпорация «Росатом» также включена в эту гонку: в рамках Распоряжения Правительства РФ от 11 июля 2023 г. №1814-р определены направления развития квантовых технологий, включая задачи обеспечения информационной безопасности и внедрения квантово-устойчивых решений.

Плюсы и минусы квантовой эры

— К основным преимуществам квантовых вычислений можно отнести потенциальное экспоненциальное ускорение для отдельных классов задач, возможность более точного моделирования квантовых систем, а также перспективы применения в криптографии, оптимизации и машинном обучении. В то же время к существенным недостаткам относятся высокая чувствительность к шумам и ошибкам, сложность масштабирования систем и значительные требования к инфраструктуре, — резюмирует Самир Ахмед.

Это означает, что на данный момент квантовые компьютеры — это не замена классическим, а скорее специализированный инструмент. Они не вытеснят ваш ноутбук или даже суперкомпьютер Frontier. Но для узкого класса задач — моделирования материалов, оптимизации, криптографии — они могут дать такое ускорение, которое оправдывает колоссальные затраты на охлаждение до температур, близких к абсолютному нулю (ниже 45 милликельвин, как в экспериментах со спиновыми стёклами). Это на порядок холоднее, чем в открытом космосе. Если поместить туда палец, он отвалится мгновенно, но кубитам там комфортно — они просто перестают «шуметь».

— Что касается какого-то объективного потенциального вреда, то основной угрозой может быть криптография. Квантовые компьютеры в перспективе способны взломать большинство современных алгоритмов шифрования, включая RSA — то, что защищает ваши банковские переводы, переписку в мессенджерах и государственные тайны. Сейчас, чтобы взломать пароль, компьютеру нужны тысячи лет. Квантовый компьютер сделает это за минуты, потому что сможет перебрать все варианты пароля одновременно, а не последовательно.

Именно поэтому правительства и корпорации уже сейчас инвестируют в пост-квантовую криптографию. Гонка вооружений перешла на новый уровень: теперь это не только создание квантового «меча», но и разработка квантово-устойчивого «щита». И как показывает история с D-Wave, эта гонка только набирает обороты, а здоровая научная дискуссия лишь подтверждает, что мы стоим на пороге действительно больших перемен, — подчёркивает аспирант Самир Ахмед.