Bitcoin Magazine
Квантовый вопрос: будущее никогда не знаешь наверняка
Люди спорят о том, представляет ли квантовый компьютер реальную угрозу для сети Bitcoin, уже более десяти лет. Это был серьёзный предмет обсуждения ещё более 13 лет назад, когда я сам впервые узнал о Bitcoin.
С тех давних времён, когда я был всего лишь неуклюжим глупцом, пытавшимся разобраться, что здесь вообще происходит, был достигнут немалый прогресс — как в теории, так и в реальной инженерии.
С того момента были пройдены две крупные вехи, которые существенно меняют вероятность того, что работоспособный квантовый компьютер действительно будет создан где-то в ближайшее десятилетие или около того. Само по себе это не означает, что он достигнет повсеместного распространения или хотя бы относительной доступности для тех, кто располагает крупными капиталами.
Но вполне возможно, что в ближайшем будущем будет создан ряд работоспособных машин.
Улучшения в коррекции ошибок
Первое крупное улучшение произошло в коррекции ошибок. Чтобы учесть шум, неизбежно возникающий при работе с объектами такого крошечного масштаба, для получения логического кубита, пригодного для вычислений на практике, требуется использовать несколько избыточных физических кубитов.
Прежним передовым способом сделать это были поверхностные коды — способ объединения множества физических кубитов в решётку с использованием некоторых из них в качестве проверочных кубитов, которые периодически «проверяют» своих соседей, чтобы убедиться в отсутствии внутренних ошибок в суперпозиции (не разрушая при этом саму суперпозицию). Пустые места каждой решётки нужно заполнять проверочными кубитами.
Это требование к проверочным кубитам создаёт дополнительные накладные расходы, которые в сумме могут доходить почти до 1,000 физических кубитов на один логический кубит, и с ростом масштаба ситуация ухудшается, потому что проверочные кубиты могут проверять только те кубиты, которые находятся непосредственно рядом с ними. Поэтому в каждой группе кубитов проверяющие должны располагаться на равном расстоянии.
Квантовые коды с малой плотностью проверок на чётность (qLDPC) устраняют это узкое место, позволяя проверочным кубитам проверять другие кубиты на больших расстояниях (либо через дорожки, вплетённые для связи между секциями чипа, либо путём физического перемещения атомов, как в конструкции на нейтральных атомах) по всему устройству. Это позволило добиться 10x сокращения количества физических кубитов, необходимых для получения надёжного логического кубита.
Это не то, чем стоит пренебрегать. Пусть это и не полностью работоспособная машина, наращивающая эффективность, — это существенный прирост эффективности в инженерных процессах, лежащих в основе создания полностью работоспособного квантового компьютера.
Прогресс в доказательстве фундаментальных положений
Второе связано с более фундаментальным вопросом вокруг утверждения о том, что добавление большего числа физических кубитов ведёт к снижению общего шума в системе, а не к его росту. На данный момент это всё ещё, по сути, теория, и нужно помнить, что до сегодняшнего дня не существовало полностью работоспособного квантового компьютера, который от начала до конца выполнил бы вычисление, недоступное классическому компьютеру.
Google провела эксперимент с использованием своих чипов Sycamore (а позже Willow), чтобы экспериментально проверить эффект от добавления большего числа физических кубитов. Уточним со всей ясностью: это была не демонстрация выполнения вычислений, а лишь демонстрация хранения информации в памяти без её распада.
С помощью логических кубитов, составленных из связки в 17 физических кубитов, связки в 49 физических кубитов и связки в 101 физический кубит, они показали, что уровень логических ошибок — частота повреждения данных — снижался по мере роста числа физических кубитов. Этот тест преодолел критический порог, при котором логический кубит, создаваемый из независимых физических кубитов, сохранял когерентность дольше, чем любой отдельный физический кубит, из которых он был составлен.
И снова: это не скачок к полностью работоспособному квантовому компьютеру, выполняющему вычисления, недоступные классическим машинам, но это существенный прогресс в доказательстве одного из фундаментальных допущений, лежащих в основе квантовых компьютеров.
ИИ
И это не единственное, для чего в этой области задач мы находим более удачные решения. Искусственный интеллект стал крупной составляющей этих систем. Его используют в самом процессе считывания и декодирования информации из квантового компьютера — а это серьёзное узкое место для того, чтобы действительно задействовать его в масштабе.
ИИ также применяют при разработке новых квантовых алгоритмов, оптимизированных под такие машины, и, учитывая недавнюю волну случаев, когда ИИ помогал решать (или даже опровергать существующие гипотезы) крупные проблемы в области математики, вовсе не так безумно допустить возможность крупных прорывов, достигнутых с помощью ИИ.
Их же применяют и в собственно проектировании физических квантовых схем, которые строятся с использованием различных архитектур. Это, на самом деле, очень сложная задача — найти оптимальный способ разместить квантовые вентили в физическом пространстве так, чтобы минимизировать шум на квантовом уровне, но при этом не создать столько пустого пространства, чтобы привнести задержки, неэффективность и другие проблемы, которые придётся решать.
Это фактор, который вполне может резко ускорить прогресс в решении необходимых фундаментальных проблем.
Взгляд вперёд
В конечном счёте, на мой взгляд, всё сводится к одному вопросу: действительно ли допущение о том, что добавление большего числа физических кубитов снижает шум, сохраняет силу, когда речь заходит о вычислениях и активной манипуляции квантовой информацией.
Если это допущение сохраняет силу и не будет экспериментально опровергнуто в ближайшем будущем, то, думаю, есть вполне реалистичный сценарий создания работоспособного квантового компьютера в ближайшие десять лет.
На эту проблему бросается колоссальный объём ресурсов, есть значительный (хотя и не подавляющий) прогресс в решении отдельных её частей, и если способ сделать что-то в принципе существует, люди обычно до него докапываются.
Я не говорю, что настало время паниковать, но не стоит сбрасывать эту возможность со счетов.
Этот материал вошёл в последний печатный выпуск Bitcoin Magazine, «Квантовый выпуск». Мы делимся им здесь как ранним взглядом на идеи, рассматриваемые на протяжении всего выпуска.
Эта статья Квантовый вопрос: будущее никогда не знаешь наверняка впервые появилась в Bitcoin Magazine и написана Shinobi.
Источник: BitcoinMagazine
