Сегодня ученые со всего мира пытаются создать коммерчески жизнеспособную квантовую вычислительную систему. Недавно китайские разработчики квантового процессора ZuChongzhi заявили о достижении преимущества над процессором Sycamore от Google, который считался самым универсальным и самым мощным.

Редакция «Процесса» составила подборку ТОП-5 существующих квантовых процессоров: три из них заявляют о достижении квантового превосходства (хотя в этом есть и сомнения), один стал первым в мире коммерческим квантовым вычислителем и еще один оперирует тысячами кубитов, но не может решать стандартные квантовые задачи.

1. Sycamore

В октябре 2019 года компания Google заявила, что добилась квантового превосходства. Их 54-кубитный (53 функциональных кубита) сверхпроводниковый процессор Sycamore смог превзойти один из мощнейших на то время суперкомпьютеров Summit (разработка IBM) в задаче о генерации случайных числовых строк random quantum circuits.

Sycamore выполнил ее за 200 секунд, тогда как у классического суперкомпьютера, как утверждали в Google, на это ушло бы 10 тысяч лет.

Впрочем, в квантовое преимущество  Google поверили не все. Компания IBM отметила, что для ее суперкомпьютера Summit, способного производить 200 петафлопс, подобная задача заняла бы всего 2,5 дня, а не 10 тысяч лет.  Поскольку IBM не подтвердила свои заявления экспериментально, преимущество Sycamore оставалось практически несомненным — до 2021 года.

60 видеокарт Nvidia догнали Sycamore за 5 дней

Этой весной ученые из Института теоретической физики при Китайской академии наук провели эксперимент, который опроверг квантовое превосходство Google.  Для этого они использовали 60 видеокарт компании NVIDIA.

Исследователи написали алгоритм, который позволил на их вычислительном кластере с 60 видеокартами Nvidia Tesla на графических процессорах V100 и A100 решить задачу о  генерации случайных числовых строк всего за 5 дней. А точность оказалась даже высшей, чем у Sycamore.

Китайские ученые отметили, что суперкомпьютеры не всегда являются самыми  лучшими инструментами, и зачастую важна не вычислительная мощность, а умение ею пользоваться.

2. Jiuzhang

76-кубитный Jiuzhang, разработанный учеными из Научно-технического университета Китая во главе с Пань Цзявеем и Лу Чаояном, — второй в мире квантовый процессор и первый фотоновый вычислитель, который достиг квантового превосходства.

В декабре 2020 года разработчики заявили, что Цзючжан успешно выполнил Гауссовский бозонный сэмплинг  (gaussian boson sampling) за 200 секунд, при выборке максимально зарегистрировали 76 фотонов из 100 возможных.

Ученые утверждали, что аналогичную задачу китайский суперкомпьютер Sunway TaihuLight (мощнейший в мире в июне 2016 — июне 2018) решит за 2,5 миллиарда лет. А его гильбертово пространство в 10 миллиардов раз больше, чем у Sycamore от Google — это значит, что Jiuzhang в 10 млрд раз быстрее процессора Google.

Однако вторая в мире демонстрация квантового превосходства не является воспроизведением первой от Sycamore. Процессоры отличаются друг от друга и созданы на разных физических платформах.  Если вычислитель Google работает со сверхпроводниковыми цепочками, то китайский Цзючжан использует оптические квантовые вычислители.

И если Google совершал задачу моделирования случайных квантовых цепочек (random quantum circuits), то Jiuzhang —  бозонный сэмплинг (boson sampling) — вычисление выходного сигнала сложной оптической схемы. При этом, Jiuzhang не способен выполнять другие задачи.

3. Zuchongzhi

В июле 2021 года ученые из Научно-технического университета Китая под руководством Пана Цзяньвэя (который уже работал над фотоновым квантовым процессором Jiuzhang) продемонстрировали двумерный программируемый сверхпроводящий квантовый процессор под названием Zuchongzhi на 66 кубитов.

Для демонстрации возможностей Zuchongzhi использовали 56 кубитов. Процессор решил задачу по моделированию случайных квантовых цепочек (random quantum circuits) за 72 минуты. При этом, задача была в около 100 раз сложнее, чем та, которую решал квантовый процессор Google Sycamore в 2019 году.

Ученые указали, что для Google Sycamore эта проблема заняла бы несколько часов, а для  обычных суперкомпьютеров — до 8 лет.

Таким образом китайская разработка стала самым мощным программируемым квантовым процессором в мире, и даже может увеличить прозводиительность, активировав все доступные 66 кубитов. Ценность Zuchongzhi  в том, что он доказал, что  с увеличением числа квантовых битов производительность квантовой системы растет в геометрической прогрессии, отметил Питер Найт из британского Имперского колледжа в Лондоне.

В отличие от процессора Jiuzhang, который выполняет лишь одну задачу — поиск решений проблемы сэмплирования бозонов, Zuchongzhi  способен рассчитывать самые  различные задачи, даже если и не может превзойти квантовые компьютеры для какой-либо конкретной проблемы.

Исследователи утверждают, что  Zu Chongzhi можно использовать для оптимизации транспортных потоков в городах и сфере фармацевтики.

Плюсом Zuchongzhi является полностью расширяемая и масштабируемая архитектура.

Отметим, что демонстрация Zuchongzhi  — только предварительна. Чтоб доказать квантовое преимущество необходимо множество тестов и рецензий от сторонних экспертов.

4. IBM Q System One

Компания IBM является первопроходцем в области квантовых вычислений. Она не только первой предложила минимальные требования для создания квантового компьютера и первой представила квантовый вычислитель IBM Q Experience  в облаке в 2016 году (на сегодня им воспользовались более 100 тыс пользователей, для  6,7 миллиона экспериментов). Также IBM первой в мире в 2019 году представила первый коммерческий квантовый процессор.

IBM Q System One — 20 кубитный процессор для научного и коммерческого использования. Система включает в себя вычислительное устройство 4 поколения, в герметичном корпусе в форме куба с гранью длиной 2,75 м, который выполнен из боросиликатного стекла толщиной 1,27 см. Также в корпусе IBM Q System One расположены управляющие модули и система охлаждения.

See also

Стала известна самая популярная социальная сеть в Украине

Николай Шелудько·Четверг Январь 20th, 2022 1 335

Конструкция корпуса позволяет предохранять компоненты квантового компьютера от нежелательных вибраций, способных привести к возникновению вычислительных ошибок в процессе его работы. При этом, разработчики IBM Q System One противопоставляют его другим лабораторным образцам квантовых вычислительных систем, которые могли занимать целые комнаты.

Первый «полностью работоспособный» прототип Q System One находится в Йорктаун Хайтс (Нью-Йорк, США), и уже применяется при проведении экспериментов. С   IBM  уже намерены сотрудничать такие известные организации и компании, как Европейская организация по ядерным исследованиям (CERN), ExxonMobil, Fermilab, Аргоннская национальная лаборатория и Национальная лаборатория им. Лоуренса Беркли.

В июне 2021 года в немецком городе Енинген  в дата-центре IBM запущен в эксплуатацию первый в Европе коммерческий квантовый компьютер IBM Quantum System One на 27 кубитов. Также подобный проект намерены развернуть в Японии на базе Токийского университета.

5. D-Wave Advantage

Квантовые процессоры D-Wave используют сотни и тысячи кубитов (самый мощный D-Wave Advantage на 5760 кб создан в 2020), тогда почему они не считаются самыми мощными? Особенность вычислителей D-Wave в том, что они используют технологию квантового отжига (релаксации) и могут решать весьма ограниченный тип задач, без классических для квантовых процессоров квантовых алгоритмов и вентилей.

Мировое сообщество не раз сомневалось в том, действительно ли D-Wave использует квантовые эффекты. Для проверки Google и NASA даже приобрели у D-Wave  их процессор.

После тестов Google подтвердила частичное превосходство устройств D-wave над классическими компьютерами и алгоритмами. Для этого ученые создали специальную задачу на оптимизацию — поиск минимального значения функции.

Тесты показали, что D-Wave 2X с 1152 кб находит абсолютный минимум с 99 % вероятностью до 180 млн раз быстрее, чем классические алгоритмы. Однако для вычисления и запуска квантовых алгоритмов процессоры D-wave не годятся.

В самой D-wave  утверждают, что их вычислители отлично справятся с задачами оптимизации в областях ИИ, логистики, кибербезопасности, финансового моделирования, поиска поломок, и материаловедении.

Сегодня с использованием технологии D-Wave создан бесплатный облачный сервис Leap и его обновление Leap 2, которое предназначено для разработчиков и организаций для создания и развертывания различных гибридных квантовых приложений. На сегодня на базе D-Wave разработали более 250 таких программ.

Перспективы квантовых вычислений

По прогнозу аналитиков Communications Industry Researchers,  квантовые вычисления в будущем могут стать успешным и крупным бизнесом. Ожидается, что выручка от квантовых вычислений вырастет с 1,9 млрд долларов в 2023 году до 8 млрд долларов к 2027 году.

Главными областями, где могут применять квантовые процессоры называют:

• Искусственный интеллект и машинное обучение. Мощь квантовых вычислений позволит увеличить набор данных и разнообразить контент для нейросетей.
• Криптография и безопасность. С одной стороны квантовые вычисления открывают возможности для взлома даже сложнейшего шифрования, с которыми не могут справится классические компьютеры, но с другой для противодействия рискам можно использовать и квантовое шифрование (квантовое распределение ключей QKD).
• Медицина и фармацевтика. Квантовые вычисления имеют большие перспективы в создании медпрепаратов, за счет способности моделировать сложнейшие молекулярные и химические реакции.
• Логистика. Квантовые процессоры могут лучше распределять и управлять глобальными каналами поставок.
• Инвестиции. Квантовые вычисления способны эффективнее моделировать риски в процессе инвестирования.