Компьютер — вычислительная система или устройство (процессор), способное выполнять заданную, изменяемую последовательность операций. Когда речь идет про самые мощные компьютеры в мире, имеются в виду не наиболее производительные стандартные или игровые ПК — своего рода соревнование ведется между разработчиками квантовых процессоров. Так, в 2019 года Google заявила о достижении квантового превосходства, то есть создании самого мощного квантового процессора: им стал Google Sycamore, 53-кубитный (кубит — квантовый аналог бита) квантовый компьютер, решивший классическую задачу генерации случайной строки за 200 секунд.

Кто больше

Но в середине 2021 года китайские инженеры продемонстрировали Zuchongzhi, квантовый процессор, который потеснил Sycamore с позиции лидера. Двумерный программируемый сверхпроводящий квантовый процессор под названием Zuchongzhi, разработанный командой ученых из Университета науки и технологии КНР способен объединить до 66 кубитов (для того, чтобы показать его возможности летом 2021 года исследователи использовали всего 56 кубитов). Тогда самый мощный компьютер в мире решал ту же самую эталонную задачу (моделирование случайных квантовых цепочек или random quantum circuits), однако в более сложной конфигурации. Получить результаты решения этой задачи, используя какой-либо из существующих суперкомпьютеров практически невозможно, так как необходимо просчитывать огромное количество возможных состояний, в которых может находится система во время операции.

Zuchongzhi справился с поставленной задачей за один час. Обычному компьютеру понадобилось бы на это около восьми лет. При этом нужно отметить, что задача была в 100 раз сложнее, чем стоявшая в 2019 году перед Google Sycamore. Квантовая система Sycamore использовала 54 кубита, а система Zuchongzhi — 56 и доказала, что когда увеличивается число кубитов, увеличивается и производительность системы. Причем в геометрической прогрессии. Результаты выполнения задачи позволяют Zuchongzhi мощнейшим программируемым квантовым компьютером в мире (тут нельзя забывать про потенциал для увеличения производительности при активации всех доступных 66 кубитов).

Быстрее Google

В научной среде, и это не говоря о практиках или паче того — обывателях, еще нет единого и четкого понимания того, как и для чего использовать квантовые вычисления. Сейчас речь скорее идет о том, чтобы провести границу между вычислениями классическими и квантовыми. Одну из таких границ корпорация Google и попыталась провести в 2019 году — создать мощнейший квантовый процессор, однако коллективный научный разум в лице исследователя IBM, а также китайских и российских ученых указал ей, что границу проводить рано, территория для исследования пока не исчерпала себя, а интерпретация результатов может быть предвзятой. Так, еще до демонстрации возможностей вычислительной системы Zuchongzhi, китайские ученые показали, что, всего-то используя другой алгоритм, задачу, стоявшую перед Google Sycamore можно решить на 50 видеокартах (GPU) NVIDIA за 5 дней.

Сделано это было не столько для того, чтобы «утереть нос» американскому техногиганту, сколько чтобы показать: гонку за квантовым превосходством нельзя ограничивать соревнованием определенный алгоритмов на скорость. Необходимо развивать алгоритмы, тестировать и выбирать те из них, которые подчеркнут лучшие стороны квантовых вычислительных систем и отсекать те, которые больше пригодятся на классических вычислительных платформах.

Кроме того, нельзя умалять и сами возможности квантовых систем. К примеру, увеличение числа кубитов с 53 (это производительность Google Sycamore) до 66 (максимальная предполагаемая производительность китайского Zuchongzhi) увеличивает скорость расчетов на шесть порядков, то есть в один миллион раз. Это отбрасывает классические системы и любые принципы работы практически любых алгоритмов в них далеко назад, однако о достижении квантового превосходства китайские исследователи говорить не спешат.

Зачем все это нужно

Практически вся криптография сегодня основывается на том, что никто (совсем никто) не может быстро разложить число из 40 (или больше) знаков на простые множители. У классического компьютера на решение этой задачи уйдет миллиард лет. Квантовая вычислительная система может справиться за 15-20 секунд. То есть, используя квантовые компьютеры, мы сможем практически мгновенно взломать любые алгоритмы шифрования и получить доступ к чему угодно — от банковских переводов до сообщений в самых «защищенных» мессенджерах.

Кроме того, квантовые компьютеры идеально подходят для моделирования сложных ситуаций, например, расчёта физических свойств новых элементов на молекулярном уровне. Это, вероятно, позволит быстрее находить новые лекарства или решать сложные медицинские задачи.

Современные квантовые вычислительные системы (включая самый мощный компьютер 2021 года) всего этого пока не умеют: они слишком нестабильны в работе и чудовищно сложны в производстве. Максимум эффективности от квантового процессора можно добиться задав ему один-единственный алгоритм. Да, задачу он будет решать только одну, но зато с какой колоссальной скоростью. Именно для того, чтобы получить недосягаемый выигрыш в производительности, пусть и при решении одной задачи, большие корпорации сегодня и занимаются разработками квантовых вычислительных систем (или покупают их).