Преди няколко години Google обяви първото в света квантово превъзходство, което предизвика фурор в индустрията на високопроизводителните изчисления. От гледна точка на Google, това беше правилно, въпреки че първият алгоритъм нямаше практическа стойност. Днес компанията отново обяви квантово превъзходство – този път за алгоритъм с практическа стойност. Ако Google е прав, това бележи нова глава в историята.

Припомняме, че през октомври 2019 г. служители на Google публикуваха статия в списание Nature, описваща производителността на статистически алгоритъм на техния 53-кубитов квантов компютър Sycamore. Квантовата система реши синтетичен проблем за 200 секунди, чието решаване според Google би отнело на IBM Summit, един от най-добрите суперкомпютри по това време, 10 000 години. Впоследствие Google отговори изцяло на това сравнение, но най-гласовитите критики дойдоха от китайските програмисти, които решиха същия проблем за няколко часа на десетки Nvidia графични карти.

Днес Google разполага с новия квантов процесор Willow със 105 кубита и значителен опит от шест години разработване на квантови алгоритми. Поради това служителите на Google публикуваха нова статия в списание Nature, също посветена на постигането на квантово превъзходство. Но този път компанията представи алгоритъм с практическа стойност. Той се използва за симулиране на ядрени взаимодействия в молекули и може да се използва за революционни изследвания в науката и технологиите. Според Google, на класически компютър би му отнело 13 000 пъти повече време, за да реши подобен по размер проблем. По-конкретно, докато на квантовата система и е било необходимо 2,1 часа, то на суперкомпютъра Frontier работата на алгоритъма ще продължи 3,2 години.

За да оптимизира изчисленията, използвайки квантовите свойства на елементарните частици и техните взаимодействия, компанията се фокусира върху технология, която нарича „квантово ехо“. На практика това е поредица от конвенционални операции с един и два кубита, които променят квантовите състояния на кубитите в работния масив. Всеки кубит е свързан със своите съседи, което позволява на неговото суперпозиционно състояние да влияе върху състоянията на всички околни кубити.

След задействане на сигнала, двукубитовите гейтове в квантовата верига се активират, които при достигане на крайния етап извършват обратно превключване. Това би трябвало да върне системата в първоначалното ѝ състояние. За да се предотврати това обаче и да се създаде истинско „ехо“ – връщането на изкривен сигнал – по време на първия етап паралелно се активират еднокубитови гейтове със случаен параметър. Това гарантира, че полученият на изхода сигнал ще бъде различен от първоначално подадения на входа на системата.

Въпреки това, тъй като това е квантова система, се случват и странни неща. „В квантовия компютър еволюцията в посока напред и назад се наслагва една върху друга“ — обяснява Google. Един от начините да се разбере тази интерференция е да се мисли за нея от гледна точка на вероятностите. Системата има множество пътища между началната си точка и точката на отражение, където превключва от еволюция напред към обратна еволюция. Всеки от тези пътища има свързана вероятност. И тъй като говорим за квантова механика, тези пътища могат да си пречат взаимно, усилвайки някои вероятности за сметка на други. В крайна сметка, именно тази интерференция определя състоянието на системата.

Най-важният въпрос е как Google успя да превърне сигналите от квантово ехо в алгоритъм. Само по себе си едно ехо разкрива малко за системата: поради вероятностния характер на квантовата механика, всякакви две изпълнения могат да покажат различно поведение. Но чрез многократно повтаряне на операциите, човек може да започне да разбира детайлите на квантовата интерференция – натрупване на статистика за поведението на системата. Правенето на това на класически компютър би отнело години. Квантовият компютър обаче позволява просто да се повторят операциите с различни произволни еднокубитови гейтове и бързо да се получат множество примери за начални и крайни състояния – и по този начин разбиране за разпределението на вероятностите в много специфична физическа система.

Именно тук се крие квантовото предимство на Google. Точното поведение на квантово ехо с умерена сложност може да бъде симулирано с помощта на всеки водещ суперкомпютър. Това обаче отнема твърде много време, което прави повторните симулации невъзможни. По оценка на авторите на статиите, измерване, което би отнело на квантов компютър 2,1 часа, би отнело на суперкомпютъра Frontier около 3,2 години. Възможно е обаче да бъде разработен и по-ефективен алгоритъм, което допълнително би забавило квантовото предимство.

Каква е практическата полза от такъв алгоритъм? Повтарящото се семплиране може да наподобява статистическото събиране на данни по метода на Монте Карло, което се използва за изучаване на поведението на голямо разнообразие от физически системи. Google обаче подчертава, че това не е проста симулация, а по-скоро „естествено копие“ на реалния свят, чието поведение може да бъде разбрано с помощта на квантови ехота. По-конкретно, предложената от компанията платформа симулира поведението на малка молекула, която може да бъде изследвана с помощта на ядрено-магнитен резонанс (ЯМР).

ЯМР-спектроскопията се основава на факта, че ядрото на всеки атом притежава квантово свойство, наречено спин. Когато ядрата са близо едно до друго, например в една молекула, техните спинове могат да си влияят взаимно. ЯМР-спектроскопията използва магнитни полета и фотони, за да манипулира тези спинове и позволява да се получат структурни данни, като например разстоянието между два дадени атома. С увеличаването на размера на молекулите обаче, спиновите мрежи могат да се разтягат на големи разстояния, което прави моделирането им все по-трудно. Следователно, ЯМР-спектроскопията е ограничена до изучаване на взаимодействията на относително близко разположени спинове.

Алгоритъмът, предложен от Google, позволява изчисляването на спинови взаимодействия в проби на големи разстояния между атомите – разстояния, недостъпни за съвременните инструменти. Това би могло да се използва за изучаване на реални химични вещества, например чрез въвеждане на „ехо-излъчващи“ атоми (в статията се предлага използването на изотопа въглерод-13). Квантова система би могла да помогне за интерпретиране на поведението на „разширена“ физическа структура (молекула) въз основа на данни от ЯМР-спектроскопия. Класическите системи не са от полза тук – никой няма да чака три години за резултати. Квантовото моделиране, използващо метода на ехото, предложено от Google, ще предостави оценка на експериментални данни, които иначе биха били невъзможни за интерпретация.

Засега екипът е ограничил демонстрацията на метода до много прости молекули, така че тази работа служи предимно като доказателство за концепцията. Изследователите обаче са оптимисти относно бъдещето и вярват, че тази система може да се използва за получаване на структурна информация за молекулите на междуатомни разстояния, които понастоящем са недостъпни за ЯМР-спектроскопията. Те изброяват множество потенциални предимства, които трябва да се вземат предвид при обсъждането на статията. Много изследователи са нетърпеливи да намерят нови начини за използване на своето ЯМР-оборудване, така че вероятно ще стане ясно сравнително бързо кой подход ще се окаже полезен — квантовият или класическият.