Гибридный подход приближает эру квантовых вычислений

Совместный центр исследования квантовых вычислений RIKEN и Fujitsu в Японии объявил о начале работы 64-кубитного квантового компьютера на базе эффекта сверхпроводимости. Новость эта может показаться не самой актуальной: IBM, к примеру, еще год назад анонсировала готовность к коммерческим поставкам квантового процессора Osprey с 433 кубитами. Какой же смысл выпускать пресс-релиз об устройстве, вычислительные возможности которого скромнее на целый десятичный порядок?

А дело в том, что и Osprey, и новая сверхпроводящая машина RIKEN, и другие эксплуатируемые сегодня квантовые компьютеры– это, по сути, лишь первое приближение к подлинно всемогущим (в пределах доступного им круга задач, разумеется) квантовым вычислительным системам. Состояние, в котором находится в настоящее время квантовый компьютинг, принято называть NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum Computing) – «квантовыми вычислениями промежуточного уровня со значительным уровнем шума». Имеется в виду, что результатам, выдаваемым современными квантовыми вычислителями, доверять априори нельзя – и тем меньше, чем больше в таких системах базовых элементов (кубитов) и чем дольше производятся собственно вычисления.

Кубиты – объекты квантовые, т. е. существенно миниатюрные. Но для реализации их, что называется, в металле, для контроля и управления ими поневоле приходится использовать макроскопические системы – к примеру, сверхпроводящие контуры, по которым без сопротивления бегут электроны. Необходимость макроскопической реализации конструкций квантовых компьютеров оборачивается неизбежным зашумлением сигналов внутри вычислительной системы, накоплением ошибок, которые необходимо исправлять. И если для полупроводниковых вычислителей схемы коррекции ошибок (параллельные контуры обработки сигналов, высчитывание контрольных сумм и пр.) давно и хорошо отработаны, то для квантовых систем все в этом плане значительно сложнее. Ведь считывание моментального состояния квантового объекта нарушает состояние неопределенности, в котором тот находится, – и тем самым прямая попытка проконтролировать промежуточный результат квантового вычисления до его полного завершения ведет к прерыванию самого вычислительного процесса.

Выходом должна стать квантовая коррекция ошибок: грубо говоря, включение в вычислительные контуры добавочных кубитов, квантово запутанных с основными, – с тем, чтобы можно было контролировать состояние этих вспомогательных узлов (и тем самым выводить их из состояния неопределенности), не прерывая главного вычислительного процесса. Но это автоматически означает необходимость резкого увеличения числа физических кубитов в системе: на каждый основной должно приходиться, в идеале, до восьми вспомогательных (на практике – не менее трех, хотя уменьшение их числа увеличивает вероятность не отловить вовремя ошибку). В итоге квантовый NISQ-компьютер с номинальным числом физических кубитов х способен в лучшем случае реализовать от x/4 до x/3 логических кубитов, а в пределе, с ростом гарантированной достоверности выдаваемых результатов, – x/8 и даже менее.

Так вот, возвращаясь к исходному инфоповоду: новаторство японских ученых и инженеров проявилось в том, что они создали гибридную систему, в которой квантовый компьютер RIKEN с 64 физическими кубитами работает в связке с суперкомпьютером Fujitsu, эмулирующим (на классической полупроводниковой элементной базе) работу 40-кубитного идеального, т. е. не подверженного зашумлениям кубитов и возникновению случайных ошибок квантового компьютера. Эта гибридная система позволяет частично проводить вычисления на реальном квантовом компьютере эпохи NISQ, здраво оценивая физические пределы его применимости, – и там, где те заканчиваются, подключать к работе эмулируемый суперкомпьютером идеальный квантовый вычислитель (которому, к слову сказать, вспомогательные кубиты по определению не нужны).

Представленная система не обещает принципиального прорыва в области квантовых вычислений, однако исследователи намерены использовать ее для отработки гибридных квантовых алгоритмов – с тем, чтобы позже применить их уже в следующем своем творении, проектируемом гибридном квантовом вычислителе на 1000 кубитов. Это, в частности, позволит решать прикладные задачи квантовой химии по определению структуры уже известных и еще не сконструированных сложных молекул. Что, в свою очередь, обещает значительные прорывы по целому ряду направлений – от материаловедения до фармакологии.