Сьогодні учені зі всього світу намагаються створити комерційно життєздатну квантову обчислювальну систему. Нещодавно китайські розробники квантового процесора ZuChongzhi заявили про досягнення переваги над процесором Sycamore від Google, який вважався найбільш універсальним і найпотужнішим.

Редакція «Процесу» склала добірку ТОП-5  квантових процесорів: творці трьох із них заявляють про досягнення квантової переваги (хоча у цьому є і сумніви), один став першим у світі комерційним квантовим обчислювачем і ще один оперує тисячами кубітів, але не може вирішувати стандартні квантові завдання.

1. Sycamore

У жовтні 2019 року компанія Google заявила, що домоглася квантової переваги. Їх 54-кубітний (53 функціональних кубіта) надпровідниковий процесор Sycamore зміг перевершити один із найпотужніших на той час суперкомп’ютерів Summit (розробка IBM) у задачі про генерацію випадкових числових рядків random quantum circuits.

Sycamore виконав її за 200 секунд, тоді як у класичного суперкомп’ютера, як стверджували у Google, на це пішло б 10 тисяч років.

Втім, у квантову перевагу Google повірили не усі. Компанія IBM зазначила, що для її суперкомп’ютера Summit, здатного виробляти 200 петафлопс, подібне завдання зайняло б усього 2,5 дні, а не 10 тисяч років, як казала Google. Оскільки IBM не підтвердила свої заяви експериментально, перевага Sycamore залишалась практично безсумнівною – до 2021 року.

60 відеокарт Nvidia наздогнали Sycamore за 5 днів

Цієї весни учені з Інституту теоретичної фізики при Китайській академії наук провели експеримент, який спростував квантову вищість Google і надможливості суперкомп’ютерів. Для цього вони використали 60 відеокарт компанії NVIDIA.

Дослідники написали алгоритм, який дозволив на їх обчислювальному кластері з 60 відеокартами Nvidia Tesla на графічних процесорах V100 і A100 вирішити задачу про генерацію випадкових числових рядків лише за 5 днів. А точність виявилася навіть вищою, ніж у Sycamore. 

Китайські учені підкреслили, що суперкомп’ютери не завжди є найкращими інструментами, і часто важлива не обчислювальна потужність, а вміння нею користуватися.

2. Jiuzhang

76-кубітний Jiuzhang, розроблений вченими з Науково-технічного університету Китаю на чолі з Пань Цзянвеем і Лу Чаоянгом, – другий у світі квантовий процесор і перший фотоновий квантовий обчислювач, який досягнув квантового верховенства (supremacy).

У грудні 2020 року розробники заявили, що Цзючжан успішно виконав гаусівський бозонний семплінг (gaussian boson sampling) за 200 секунд, при вибірці максимально зареєстрували 76 фотонів зі 100 можливих.

Учені стверджували, що аналогічне завдання китайський суперкомп’ютер Sunway TaihuLight (найпотужніший у світі в червні 2016 – червні 2018) вирішить за 2,5 мільярда років. А його гільбертовий простір у 10 мільярдів разів більше, ніж у Sycamore від Google – це значить, що Jiuzhang в 10 млрд раз швидше процесора Google.

Однак друга у світі демонстрація квантової вищості не є відтворенням першої від Sycamore. Процесори відрізняються один від одного і створені на різних фізичних платформах. Якщо обчислювач Google працює із надпровідними ланцюжками, то китайський Цзючжан використовує оптичні квантові обчислювачі.

 І якщо Google здійснював завдання моделювання випадкових квантових ланцюжків (random quantum circuits), то Jiuzhang – бозоновий семплінг (boson sampling) – обчислення вихідного сигналу складної оптичної схеми. При цьому, Jiuzhang не здатний виконувати інші завдання.

3. Zuchongzhi

У липні 2021 року вчені з Науково-технічного університету Китаю під керівництвом Пана Цзяньвея (який уже працював над фотоновим квантовим процесором Jiuzhang) продемонстрували двовимірний програмований надпровідний квантовий процесор під назвою Zuchongzhi на 66 кубітів. Проте для демонстрації можливостей Zuchongzhi використовували 56 кубітів.

 Процесор вирішив задачу з моделювання випадкових квантових ланцюжків (random quantum circuits) за 72 хвилини. При цьому, завдання було у близько 100 разів складніше, ніж те, яке вирішував квантовий процесор Google Sycamore в 2019 році.

Вчені зазначили, що для Google Sycamore вирішення такої ж проблеми зайняло б кілька годин, а для звичайних суперкомп’ютерів – до 8 років.

Таким чином китайська розробка стала найпотужнішим програмованим квантовим процесором у світі, і навіть може збільшити продуктивність, активувавши всі доступні 66 кубітів. 

Цінність Zuchongzhi в тому, що він довів, що зі збільшенням числа квантових бітів продуктивність квантової системи зростає в геометричній прогресії, зазначив Пітер Найт з британського Імперського коледжу в Лондоні.

На відміну від процесора Jiuzhang, який виконує лише одну задачу – пошук шляхів вирішення проблеми семплювання бозонів, Zuchongzhi здатний розраховувати найрізноманітніші завдання. Дослідники стверджують, що Zu Chongzhi можна використовувати для оптимізації транспортних потоків у містах та сфері фармацевтики.

Плюсом Zuchongzhi є повністю розширювана і масштабована архітектура. Відзначимо, що демонстрація Zuchongzhi – тільки попередня. Щоб довести квантову перевагу необхідно безліч подальших тестів і рецензій від сторонніх експертів.

4. IBM Q System One

Компанія IBM є першопрохідцем в області квантових обчислень. Вона не тільки першою запропонувала мінімальні вимоги для створення квантового комп’ютера і першою представила квантовий обчислювач IBM Q Experience у хмарі в 2016 році (на сьогодні ним скористалися більше 100 тис користувачів для 6,7 мільйона експериментів). Також IBM першою у світі у 2019 році представила комерційний квантовий процесор.

IBM Q System One – 20 кубітний процесор для наукового та комерційного використання. Система включає в себе обчислювальний пристрій 4 покоління, в герметичному корпусі у формі куба з гранню довжиною 2,75 м, який виконаний з боросилікатного скла товщиною 1,27 см. Також у корпусі IBM Q System One розташовані керуючі модулі і система охолодження.

Конструкція корпусу дозволяє охороняти компоненти квантового комп’ютера від небажаних вібрацій, здатних призвести до виникнення обчислювальних помилок в процесі роботи. При цьому, розробники IBM Q System One протиставляють його іншим лабораторним зразкам квантових обчислювальних систем, які могли займати цілі кімнати.

Перший «повністю працездатний» прототип Q System One знаходиться в Йорктаун Хайтс (Нью-Йорк, США), і вже застосовується при проведенні експериментів. З IBM уже мають намір співпрацювати такі відомі організації і компанії, як Європейська організація з ядерних досліджень (CERN), ExxonMobil, Fermilab, Аргонська національна лабораторія і Національна лабораторія ім. Лоуренса Берклі.

 У червні 2021 року в німецькому місті Енінген у дата-центрі IBM запущений в експлуатацію перший у Європі комерційний квантовий комп’ютер IBM Quantum System One на 27 кубітів. Також подібний проект мають намір розгорнути в Японії на базі Токійського університету.

5. D-Wave Advantage

Квантові процесори D-Wave використовують сотні і тисячі кубітів (найпотужніший D-Wave Advantage на 5760 кб створений у 2020), тоді чому вони не вважаються найпотужнішими? Особливість обчислювачів D-Wave у тому, що вони використовують технологію квантового відпалу (нормалізації) і можуть вирішувати досить обмежений тип завдань, без класичних квантових алгоритмів.

Світова спільнота не раз сумнівалась, чи дійсно D-Wave використовує квантові ефекти. Для перевірки Google і NASA навіть придбали у D-Wave їх процесор.

Після тестів Google підтвердила часткову перевагу пристроїв D-wave над класичними комп’ютерами і алгоритмами. Для цього фахівці створили спеціальну задачу на оптимізацію – пошук мінімального значення функції.

Тести показали, що D-Wave 2X з 1152 кубітів знаходить абсолютний мінімум з 99% ймовірністю до 180 млн разів швидше, ніж класичні алгоритми. Однак для обчислення і запуску квантових алгоритмів процесори D-wave не годяться.

У самій D-wave стверджують, що їх обчислювачі відмінно впораються із завданнями оптимізації в областях штучного інтелекту, логістики, кібербезпеки, фінансового моделювання, пошуку поломок, і матеріалознавстві.

Сьогодні з використанням технології D-Wave створено безкоштовний хмарний сервіс Leap і його оновлення Leap 2, яке призначене для розробників і організацій для створення і розгортання різних гібридних квантових додатків. На сьогодні на базі D-Wave розробили більше 250 таких програм.

Перспективи квантових обчислень

За прогнозом аналітиків Communications Industry Researchers, квантові обчислення в майбутньому можуть стати успішним і великим бізнесом. Очікується, що виручка від квантових обчислень виросте з 1,9 млрд доларів в 2023 році до 8 млрд доларів до 2027 року.

Головними сферами, де можуть застосовувати квантові процесори, називають:

• Штучний інтелект і машинне навчання. Міць квантових обчислень дозволить збільшити набір даних і урізноманітнити контент, на якому вчаться нейромережі
• Криптографія і безпека. З одного боку квантові обчислення відкривають можливості для злому навіть найскладнішого шифрування, з якими не можуть впоратися класичні комп’ютери, але з іншого  – для протидії ризикам можна використовувати і квантове шифрування (квантовий розподіл ключів QKD).
• Медицина і фармацевтика. Квантові обчислення мають великі перспективи в створенні медпрепаратів, за рахунок здатності моделювати найскладніші молекулярні і хімічні реакції.
• Логістика. Квантові процесори можуть краще розподіляти і управляти глобальними каналами поставок.
• Інвестиції. Квантові обчислення здатні ефективніше моделювати ризики в процесі інвестування.