В чем заключается «квантовое преимущество» Google? | Объяснено

История на данный момент: В двух статьях, опубликованных в Природа 22 октября исследователи из Google, Массачусетского технологического института, Стэнфорда и Калифорнийского технологического института сообщили о том, что они назвали проверяемым проявлением квантового преимущества с использованием технологий компании. Квантовый процессор Willow. То есть команды заявили, что показали, что Willow явно превосходит существующие суперкомпьютеры при решении конкретной задачи.

Как работает квантовый компьютер?

Представьте себе волны, движущиеся в пруду. Когда два гребня волны встречаются, они объединяются, образуя большую волну. Когда гребень встречается с впадиной, они нейтрализуют друг друга. Это называется интерференцией. На квантовом уровне частицы могут вести себя как волны, а их «волновые функции», описывающие их вероятности, могут интерферировать друг с другом. Контролируя это вмешательство, ученые могут повысить вероятность найти правильный ответ на проблему, исключив при этом неправильные. Это то, что столько же, сколько компьютер делает.

В одном из двух новых исследований исследователи представили квантовый алгоритм, предназначенный для решения задач оптимизации — головоломок, цель которых — найти наилучшее возможное решение среди многих. Исследовательская группа назвала это декодированной квантовой интерферометрией (DQI).

DQI использует квантовую версию преобразования Фурье для управления волновой природой частиц, которые квантовый компьютер использует в качестве своих битов. Этот процесс устроен таким образом, что волны, соответствующие хорошим решениям, конструктивно интерферируют, усиливая друг друга, создавая сильный сигнал. Тем временем волны плохих решений разрушительно мешают и затухают. Измеряя конечное состояние, алгоритм будет иметь больше шансов получить «высококачественный» ответ. Исследователи показали, что для задачи оптимального пересечения полиномов алгоритм DQI может найти хорошее приближение намного быстрее, чем любой известный классический компьютер.

Что такое скремблирование?

Во втором исследовании авторы измерили, как информация шифруется в сложной квантовой системе. Предположим, вы капнули небольшое количество темно-синего красителя в неподвижный бассейн. В первый момент «информация» проста и локальна. «Синяя краска вот здесь», — можете сказать вы. Но краситель там не остается: он растекается. Информация больше не находится в одном месте, а распространяется по большему объему воды. Через несколько часов весь бассейн приобретает слабый равномерный синий оттенок. Вы больше не можете видеть исходную каплю. Информация вроде бы исчезла — но это не так. Это было зашифровано. Каждая молекула воды в бассейне теперь несет почти незаметную часть этой «синей» информации.

Именно это и происходит в квантовой системе. Часть информации, первоначально хранящаяся в одном квантовом бите, распространяется по всем остальным битам при их взаимодействии. Информация становится «скрытой» в сложных отношениях между всеми частицами. Итак, задача состоит в следующем: как измерить закономерность, которая так тщательно скрыта?

Для этого исследователи использовали хитрый эксперимент. Представьте, что вы стоите на большом пустом складе. Ты кричишь. Звуковые волны мгновенно распространились, отражаясь от каждой стены, пола и потолка. Это скремблирование: информация о звуке теперь повсюду. Теперь, пока ваш крик все еще эхом разносится по округе, ваш друг в дальней части склада ударяет молотком в большой металлический колокол. Этот «удар» не останавливает эхо, но меняет его. Любая звуковая волна от вашего крика, которая попадает в конкретный колокол в этот конкретный момент, теперь получает небольшой «отпечаток» в виде слабого металлического звона. Затем исследователи проделали эквивалент нажатия волшебной кнопки перемотки назад, которая заставила все звуковые волны двигаться совершенно назад. Все обычные эхо, те, которые не достигли колокола, прекрасно прослеживают свой путь назад и гасят друг друга по возвращении, что приводит к полной тишине.

Однако запечатленное эхо теперь немного отклоняется от курса. Когда они движутся назад, они не гасятся должным образом, и исследователям остается слышать очень слабое, беспорядочное эхо, несущее отпечаток удара. Этот оставшийся звук является измерением OTOC, и этот процесс смешивания и подавления (или отсутствия) различных путей называется интерференцией.

Измерив слабость и характер оставшегося эха, ученые смогли точно сказать, насколько информация распространилась и взаимодействовала с этой конкретной частью системы (колоколом). Именно так они успешно измерили тонкие, скрытые закономерности зашифрованной информации.

Как продемонстрировать квантовое преимущество?

Во втором эксперименте использовались настолько сложные схемы, что, по оценкам исследователей, их моделирование на втором по скорости суперкомпьютере в мире заняло бы более трех лет. Процессор Willow выполнил ту же задачу примерно за два часа. При этом, хотя в первой статье описывался квантовый алгоритм, который решил головоломку намного быстрее, чем любой известный классический компьютер, исследователи математически не доказали, что хитрого трюка, позволяющего обычному компьютеру быстро решить ту же головоломку, не существует. Потребуются новые исследования, чтобы доказать, что проблема всегда сложна для всех неквантовых компьютеров.

Аналогичным образом, хотя вторая статья показала, что квантовый компьютер решает сложную проблему, следующим шагом будет использование независимой командой того же метода для решения реальной нерешенной проблемы, скажем, в физике или химии.

Наконец, хотя эти два исследования являются решающим шагом, их применение остается в значительной степени перспективным. Это все еще лабораторные задачи, результаты которых еще не превратились в научные открытия. Следующий этап будет зависеть от улучшения других частей квантовых вычислений, включая исправление ошибок и масштабирование до тысяч надежных квантовых битов. Ожидается, что на это потребуется еще несколько лет.

Что заявил Google в 2019 году?

В эксперименте 2019 года исследователи Google использовали квантовую систему, чтобы попытаться решить проблему, называемую случайной выборкой цепей. Здесь его процессор Sycamore запустил случайную программу, генерирующую список ответов, с задачей предсказать, какой из этих ответов будет появляться чаще всего. Однако исследователи не могут проверить один ответ при случайной выборке цепей, если статистическое распределение всех ответов выглядит правильным. С другой стороны, проблема, которую решил новый тест, касалась научно значимой физической величины.

Результат также назвали «проверяемым», поскольку одну и ту же задачу можно решить на классическом компьютере или на другом квантовом компьютере, а проверка ответа не зависит от статистических закономерностей. Одним из вероятных ранних применений результатов является гамильтонианское обучение — процесс определения неизвестных параметров физической системы путем сравнения экспериментальных данных с смоделированными результатами. Те же принципы, которые разработали лауреаты Нобелевской премии по физике этого года, делают возможными такие процессоры, как Willow. Один из лауреатов, Мишель Деворе, является главным научным сотрудником по квантовому оборудованию в Google Quantum AI. Новые исследования основаны на работе лауреатов по решению задачи оптимизации, а затем по отслеживанию того, как информация распространяется в квантовых системах.

Опубликовано — 26 октября 2025 г., 12:43 по восточному стандартному времени.