Миллион лет сжались в минуты: что сулит человечеству эра квантовых компьютеров
Представьте, что вы пытаетесь найти одну-единственную нужную вам песчинку на всех пляжах планеты сразу. Сколько времени у вас уйдет 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 ученые 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 все 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 о научном споре с редакцией Techinsider.ru поделился Самир Ахмедов, ученый, аспирант института № 8 «Компьютерные науки и прикладная математика» Московского авиационного института.
От CDC 6600 до Frontier: эволюция суперкомпьютеров
Прежде чем говорить о квантовой революции, стоит оценить масштаб того, с чем сравнивают свои результаты ученые 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 млн 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 все население Земли будет круглосуточно считать на калькуляторах, нам потребуются годы, чтобы сделать то, что Frontier просчитывает за одну секунду. И все это «великолепие инженерной мысли», потребляющее энергию примерно как десятки тысяч домохозяйств, оказалось бессильно перед задачей, которую квантовый компьютер щелкает как орешки за 20 минут...
Такие машины нужны для моделирования ядерных процессов, прогнозирования климата, расчета 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 трудоемкой 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)", — говорит эксперт.
Что такое квантовый отжиг и почему D-Wave пошла этим путем?
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.