Биткойн Журнал
Квантовая проблема: никогда не знаешь будущего
Люди спорят о том, представляет ли квантовый компьютер реальную угрозу для сети Биткойн уже более десяти лет. Это была серьезная тема для разговора более 13 лет назад, когда я сам впервые открыл для себя Биткойн.
С давних пор, когда я был всего лишь неуклюжим идиотом, пытающимся понять, что здесь происходит, был достигнут довольно большой прогресс, как с точки зрения теории, так и с точки зрения практической инженерии.
С тех пор были достигнуты две важные вехи, которые существенно влияют на вероятность создания жизнеспособного квантового компьютера где-то в следующем десятилетии или около того. По своей сути это не означает, что он достигнет точки повсеместного распространения или даже относительной легкости доступа для тех, у кого большие объемы капитала.
Но вполне возможно, что в ближайшем будущем будет произведено некоторое количество жизнеспособных машин.
Улучшения исправления ошибок
Первым крупным улучшением стало исправление ошибок. Чтобы учесть внутренний шум при работе с вещами такого крошечного масштаба и получить логический кубит, который будет полезен в вычислениях на практике, требуется использование нескольких избыточных физических кубитов.
Предыдущим современным способом сделать это были поверхностные коды — способ объединения нескольких физических кубитов в сетку и использования некоторых из них в качестве проверочных кубитов, которые периодически «проверяют» своих соседей, чтобы убедиться в отсутствии внутренних ошибок в суперпозиции (без разрушения суперпозиции). Пустые места каждой сетки необходимо заполнить проверочными кубитами.
Это требование к проверочному кубиту создает дополнительные накладные расходы, которые в общей сложности могут достигать 1000 физических кубитов на логический кубит, и это становится плохим при масштабировании, поскольку проверочные кубиты могут проверять только кубиты, находящиеся непосредственно рядом с ними. Таким образом, каждая группа кубитов должна иметь шашки, расположенные на равном расстоянии друг от друга.
Коды квантовой проверки четности низкой плотности (qLDPC) устраняют это узкое место, позволяя проверять кубиты для проверки других кубитов на больших расстояниях (либо через переплетенные дорожки для связи между секциями чипа, либо путем физического перемещения атомов, как в конструкции с нейтральным атомом) по устройству. Это позволило в 10 раз сократить количество физических кубитов, необходимых для создания надежного логического кубита.
Это не то, над чем стоит чихать. Хотя это, возможно, и не полнофункциональная машина, добивающаяся прогресса в повышении эффективности, именно повышение эффективности материалов в инженерных процессах лежит в основе производства полнофункционального квантового компьютера.
Прогресс в основах доказывания
Второй связан с более фундаментальным вопросом, связанным с утверждением, что добавление большего количества физических кубитов приводит к снижению общего шума в системе, а не к увеличению. На самом деле на данный момент это все еще теория, и вы должны иметь в виду, что до сих пор не существовало полностью функционального квантового компьютера, который бы выполнял сквозные вычисления, на которые классический компьютер не способен.
Google провел эксперимент с использованием своих чипов Sycamore (а позже и Willow), чтобы экспериментально проверить эффект от добавления большего количества физических кубитов. Чтобы внести ясность, это была не демонстрация выполнения вычислений, а просто демонстрация хранения информации в памяти без ее разрушения.
С помощью логических кубитов, состоящих из пакета из 17 физических кубитов, пакета из 49 физических кубитов и пакета из 101 физического кубита, они продемонстрировали, что уровень логических ошибок и частота повреждения данных уменьшаются по мере увеличения количества физических кубитов. Этот тест преодолел критический порог, когда логический кубит, созданный из независимых физических кубитов, сохранял когерентность дольше, чем любой отдельный физический кубит, из которого он состоял.
Опять же, это не переход к полнофункциональному квантовому компьютеру, выполняющему вычисления, на которые не способны классические машины, а материальный прогресс, доказывающий одно из фундаментальных предположений, лежащих в основе квантовых компьютеров.
ИИ
Это не единственные вещи, для которых мы находим лучшие решения в этой проблемной области. Искусственный интеллект стал важным компонентом этих систем. Он используется в реальном процессе чтения и декодирования информации с квантового компьютера, что является серьезным препятствием для его реального использования в больших масштабах.
ИИ также используется при разработке новых квантовых алгоритмов, оптимизированных для машин такого типа, и, учитывая недавнюю волну использования ИИ, помогающего решать (или даже опровергать существующие гипотезы) основные проблемы в области математики, на самом деле не так уж и безумно рассматривать возможность крупных прорывов, совершаемых с помощью ИИ.
Они используются одинаково при разработке реальных физических квантовых схем, построенных с использованием различных архитектур. На самом деле это очень сложная проблема: найти оптимальный способ расположения квантовых вентилей в физическом пространстве, чтобы минимизировать шум на квантовом уровне, не создавая при этом так много пустого пространства, которое приводит к задержке, неэффективности и другим проблемам, которые необходимо решить.
Это фактор, который вполне может ускорить прогресс в решении необходимых фундаментальных проблем.
Перспективы вперед
В конечном счете, на мой взгляд, все сводится к одному вопросу: действительно ли предположение о том, что добавление большего количества физических кубитов уменьшает шум, действительно справедливо, когда дело доходит до вычислений и активного манипулирования квантовой информацией.
Если это предположение действительно справедливо и не будет экспериментально опровергнуто когда-нибудь в ближайшем будущем, то я думаю, что существует очень реалистичный случай создания жизнеспособного квантового компьютера в ближайшие десять лет.
На эту проблему направлено огромное количество ресурсов, наблюдается значительный (но не подавляющий) прогресс в решении отдельных частей проблемы, и если принципиально существует способ что-то сделать, люди обычно это понимают.
Я не говорю, что пора паниковать, но не сбрасывайте со счетов такую возможность.
Эта статья опубликована в последнем печатном выпуске журнала Bitcoin Magazine The Quantum Issue. Мы делимся этим здесь как ранним взглядом на идеи, рассмотренные в полном выпуске.