Квантовый чип Willow от Google: как работает и для чего нужен

Что разработка значит для науки, технологий и пользователей.

В декабре 2024 года компания Google представила новый квантовый чип Willow. По заявлению компании, он способен всего за несколько минут решать задачи, на которые у современных суперкомпьютеров ушло бы время, в триллионы раз превышающее возраст Вселенной. Как устроена разработка и каковы перспективы её использования — в этом тексте.

Содержание:

Willow — это квантовый процессор, разработанный подразделением Google Quantum AI. По результатам бенчмарков, Willow способен меньше чем за пять минут решить задачу, с которой суперкомпьютер справился бы за 10 септиллионов лет. Это 10 в 25 степени, или 10 000 000 000 000 000 000 000 000. Для сравнения, возраст Вселенной — около 13 млрд лет (13 000 000 000, или 1,3×10 в 10 степени), Солнечной системы — 4,5 млрд лет.

Квантовые компьютеры представляют собой принципиально новый подход к вычислениям, который основан на законах квантовой механики.

В отличие от классических компьютеров, которые оперируют битами со значениями 0 или 1, квантовые используют кубиты (qubit, quantum bit, квантовый бит), способные принимать оба значения одновременно. Это состояние называется суперпозицией, оно позволяет компьютеру параллельно обрабатывать множество вариантов решения задачи и значительно увеличивает скорость вычислений.

Если быть точным, кубит не принимает конкретное значение, а равняется вероятности, с которой он станет нулём или единицей. Помимо двух полярных состояний («вкл» или «выкл», 1 или 0) он может стать любым промежуточным нецелым числом.

Простой эксперимент: учёный подбрасывает монетку. Она может упасть на сторону либо с орлом, либо с решкой (падение на ребро не считается). Но пока монетка крутится в воздухе, она в каждую единицу времени с разной вероятностью может принять любое из этих значений. Здесь же можно вспомнить эксперимент с котом Шрёдингера, который одновременно жив и мёртв до тех пор, пока наблюдатель не откроет коробку. Или вероятностный корабль «Золотое сердце» из научно-фантастического романа «Автостопом по галактике».

Кроме того, отличие от привычной «битной» архитектуры заключается в том, что кубиты могут находиться в состоянии квантовой запутанности. Это означает, что состояние одного кубита напрямую зависит от состояния другого, независимо от расстояния между ними. Свойство позволяет мгновенно передавать информацию. Механизм использовали, например, пришельцы в «Загадке трёх тел» — с помощью квантовой запутанности информация без задержки преодолевала расстояние в световые годы.

Идею квантовых вычислений предложил в начале 1980-х годов физик Ричард Фейнман. А в 1994 году Питер Шор разработал квантовый алгоритм, способный эффективно факторизовать большие числа (раскладывать на произведение простых множителей), что продемонстрировало потенциал квантовых компьютеров в криптографии (наука о шифровании и защите данных).

С тех пор различные компании и исследовательские институты, включая IBM, Google, китайские и российские университеты, активно работают над созданием практичных квантовых компьютеров. В 2019 году Google объявила о достижении квантового превосходства с процессором Sycamore, который выполнил задачу за 200 секунд, тогда как классическому суперкомпьютеру потребовались бы тысячи лет. Willow — следующий шаг в этом направлении, чип демонстрирует значительные улучшения в производительности и коррекции ошибок.

Благодаря способности обрабатывать огромное количество состояний одновременно, а не последовательно, квантовые компьютеры могут решать определённые задачи значительно быстрее классических. Например, расшифровывать сообщения или подбирать пароли (в научных целях). Даже мощные суперкомпьютеры будут делать это методом перебора, поочерёдно подставляя разные варианты.

Это одна из причин, почему банковские карты имеют срок действия 5–10 лет — считается, что при текущем развитии технологий именно столько времени уйдёт у злоумышленника на взлом данных. Современные методы защиты позволяют этот срок продлить, однако банки всё равно рекомендуют периодически менять карты.

Квантовый компьютер сразу проверит все значения — и за минимальное время найдёт нужное. Это открывает новые возможности в областях, которые требуют больших вычислительных мощностей: криптографии, оптимизации, искусственном интеллекте, биоинженерии, моделировании сложных систем.

Несмотря на высокий потенциал и пристальное внимание научного сообщества, квантовые компьютеры пока сталкиваются с рядом технических трудностей.

То есть нарушение когерентности — согласованности и связности. Кубиты нестабильны и чувствительны к внешним воздействиям, что приводит к потере информации. Можно вспомнить пример с монеткой или котом: пока первая находится в воздухе, а второй — в коробке, их состояние соответствует понятию суперпозиции. Как только учёный ловит монетку или открывает коробку, «магия» заканчивается — перед ним строго орёл или строго решка, строго живой или строго мёртвый Барсик. Квантовый компьютер превращается в обычный, к тому же нерабочий.

В квантовых вычислениях необходимы сложные методы для обнаружения и исправления ошибок, иначе результаты нельзя считать достоверными.

Главная особенность Willow, которая отличает его от аналогов, — способность эффективно исправлять ошибки в реальном времени. Это значительно повышает надёжность вычислений. Чтобы добиться такого результата, инженеры Google проделали серьёзную работу. Они объединили физические кубиты в блоки — логические кубиты.

С помощью алгоритмов логический кубит корректирует информацию, которая поступает от каждого из кубитов в составе. Здесь можно провести аналогию с тем, как человеческий мозг воспринимает слова при чтении. Если бы люди читали по буквам, любая опечатка нарушала бы смысл текста. Но мы читаем слова целиком, и ошибка в отдельной букве не мешает понять содержание.

Примечательно, что компании Google впервые за 30 лет разработок удалось сделать так, что при масштабировании компьютера тот становится более стабильным. Исследователи тестировали варианты чипа с сеткой 3×3 (9 кубитов), 5×5 (25 кубитов) и 7×7 (49 кубитов). С каждым разом значения оказывались более и более многообещающими.

В итоге чип имеет 105 кубитов — это одно из немногих устройств на планете, преодолевших отметку в 100 кубитов.

IBM — один из пионеров в области квантовых технологий. В 2021 году компания представила квантовый процессор Eagle, который содержит 127 кубитов. Eagle стал первым процессором, преодолевшим рубеж в 100 кубитов, что позволило IBM укрепить свои позиции в квантовой гонке.

В 2022 году компания представила следующее поколение квантовых процессоров — Osprey. Экспериментальная модель насчитывает рекордные на сегодняшний день 433 кубита, однако детальных данных о производительности чипа нет в общем доступе.

Из опубликованных данных следует, что IBM выбрала иную архитектуру, нежели Google. В Osprey каждый кубит «соседствует» с 2–3 другими кубитами. В Willow же большая часть кубитов имеет по четыре соседа — это позволяет эффективнее бороться с ошибками.

Intel также активно участвует в разработке квантовых технологий. В 2018 году компания представила 49-кубитный квантовый процессор под названием Tangle Lake. По сравнению с более современными процессорами, Tangle Lake уступает в количестве кубитов и производительности — устройство предназначено в первую очередь для исследований в области квантовых вычислений.

Китай активно инвестирует в квантовые технологии. В декабре 2024 года китайские учёные заявили о создании 105-кубитного процессора Zuchongzhi 3.0, который обещает конкурировать с Google Willow. Однако подробностей об архитектуре устройства пока нет.

Отечественные учёные также в декабре анонсировали создание компьютера с 50 кубитами. Это позволило России войти в список из шести стран с такими компьютерами. Помимо США, Китая и России в него входят Франция, Япония и Канада.

Внедрение квантовых компьютеров, подобных Willow, может привести к революционным изменениям в различных областях:

Несмотря на впечатляющие достижения, квантовые компьютеры пока остаются в стадии разработки. Для их широкомасштабного применения нужно решить ряд технических и теоретических задач: обеспечить стабильность системы и добиться более эффективного исправления ошибок.

Квантовый чип Willow от Google — большой шаг вперёд в области квантовых вычислений, но с его появлением перед человечеством встаёт ряд вопросов: как быстро квантовые компьютеры станут частью повседневной жизни? какие возможности и вызовы они принесут? и готовы ли мы к квантовому будущему?

А как кажется вам?