Две вехи в исследованиях квантовых вычислений — значительный прогресс в эффективности исправления ошибок и первая экспериментальная проверка ключевого допущения о масштабировании — существенно изменили шансы на то, что работоспособный квантовый компьютер будет создан в ближайшие десять лет или около того, пишет Shinobi в последнем печатном выпуске Bitcoin Magazine, The Quantum Issue. Автор предупреждает, что ни повсеместного распространения, ни легкого доступа к этой технологии гарантировать нельзя, однако возможность появления работоспособных машин в ближайшем будущем не стоит сбрасывать со счетов.

Дискуссия о том, представляет ли квантовый компьютер реальную угрозу сети биткоина, идёт уже более десяти лет. Вопрос коренится в том, как биткоин обеспечивает свою безопасность: для расходования средств требуется цифровая подпись на эллиптических кривых — тот класс математических задач, который алгоритм Шора в принципе способен решить на достаточно мощной квантовой машине, тогда как хеширование SHA-256, лежащее в основе майнинга, считается куда более устойчивым, поскольку алгоритм Гровера даёт лишь квадратичное ускорение. Серьёзной темой для обсуждения это стало более 13 лет назад, когда Shinobi впервые открыл для себя биткоин. С тех пор достигнут значительный прогресс как в теории, так и в реальных инженерных разработках. Это не означает, что технология обязательно станет повсеместной или хотя бы относительно доступной даже для тех, кто располагает крупным капиталом. Но весьма вероятно, что в ближайшем будущем будет создано некоторое количество работоспособных машин.

Улучшения в исправлении ошибок

Первое крупное улучшение касается исправления ошибок. Чтобы компенсировать присущий работе в столь малых масштабах шум, создание логического кубита, пригодного для практических вычислений, требует использования нескольких избыточных физических кубитов.

Прежним лучшим методом были поверхностные коды: способ объединения нескольких физических кубитов в сетку, где часть из них используется как проверочные кубиты, периодически «проверяющие» соседей, чтобы убедиться, что в суперпозиции не возникло внутреннихок (не разрушая саму суперпозицию). Пустые места каждой сетки должны быть заполнены проверочными кубитами.

Это требование к проверочным кубитам создаёт дополнительную нагрузку, которая может достигать почти 1 000 физических кубитов на один логический кубит, и с ростом масштаба ситуация ухудшается, поскольку проверочные кубиты могут проверять только непосредственно соседние кубиты. Поэтому каждая группа кубитов должна иметь проверочные элементы на равных расстояниях.

Квантовые коды проверки чётности с низкой плотностью (qLDPC) устраняют это ограничение, позволяя проверочным кубитам проверять другие кубиты на больших расстояниях по всему устройству — либо через проводники, переплетённые для связи между секциями чипа, либо путём физического перемещения атомов, как в нейтрально-атомной архитектуре. Это позволило в 10 раз сократить количество физических кубитов, необходимых для создания надёжного логического кубита.

Для модели угроз биткоина именно это соотношение накладных расходов имеет ключевое значение. Любая машина, способная выполнять алгоритм Шора против подписей на эллиптических кривых, должна была бы состоять из надёжных логических кубитов, поэтому количество физических кубитов на каждый из них во многом определяет масштаб необходимого оборудования. Это не та выгода, которую можно игнорировать. Возможно, это ещё не полностью функциональная машина, достигающая большей эффективности, но это существенный прирост эффективности в инженерных процессах, лежащих в основе создания полноценного квантового компьютера.

Прогресс в доказательстве основ

Вторая веха связана с более фундаментальным вопросом: действительно ли утверждение о том, что увеличение числа физических кубитов снижает общий уровень шума в системе, а не повышает его, соответствует действительности. На данный момент это по-прежнему в основном теория — и стоит помнить, что до сих пор ни один полнофункциональный квантовый компьютер не выполнил от начала до конца вычисление, недоступное классическому компьютеру.

Google провёл эксперимент на своих чипах Sycamore (а позже Willow), чтобы экспериментально проверить эффект добавления физических кубитов. Оба являются сверхпроводящими процессорами — той же широкой аппаратной платформой, физические ограничения компоновки которой затрагивает работа с qLDPC, — конкурирующими с нейтрально-атомными архитектурами, где дальние проверки ошибок организуются физическим перемещением атомов. Следует подчеркнуть: это была не демонстрация выполнения вычислений, а лишь демонстрация хранения информации в памяти без её распада.

Используя логические кубиты, составленные из набора 17 физических кубитов, набора из 49 и набора из 101, Google продемонстрировал, что уровень логических ошибок — частота повреждения данных — снижался с ростом числа физических кубитов. Тест прошёл критический порог: логический кубит, созданный из независимых физических кубитов, сохранял когерентность дольше, чем любой отдельный физический кубит, из которого он состоял.

И снова это не скачок к полнофункциональному квантовому компьютеру, выполняющему вычисления, недоступные классическим машинам, но это существенный прогресс в доказательстве одного из фундаментальных допущений, лежащих в основе квантовых компьютеров.

ИИ

не единственные направления в данной проблемной области, где находятся лучшие решения. Искусственный интеллект стал важным компонентом этих систем. Он используется непосредственно в процессе считывания и декодирования информации из квантового компьютера — серьёзном узком месте для практического использования таких машин в больших масштабах.

ИИ также применяется при разработке новых квантовых алгоритмов, оптимизированных для машин этого типа. Учитывая недавнюю череду случаев, когда ИИ помогал решать — или даже опровергать существующие гипотезы — крупные задачи в области математики, предположение о возможности крупных прорывов, вызванных ИИ, не выглядит такой уж натяжкой.

ИИ используется и при проектировании физических квантовых схем, создаваемых на разных архитектурах. Это действительно сложная задача: найти оптимальный способ размещения квантовых вентилей в физическом пространстве, чтобы минимизировать шум на квантовом уровне, не создавая при этом столько пустого пространства, чтобы вносились задержки, неэффективность и другие проблемы.

Этот фактор вполне способен резко ускорить прогресс в решении необходимых фундаментальных задач.

Перспективы

В конечном счёте, по мнению автора, всё сводится к одному вопросу: подтверждается ли допущение о том, что увеличение числа физических кубитов снижает шум, при выполнении вычислений и активном манипулировании квантовой информацией?

Если это допущение подтверждается — и не будет экспериментально опровергнуто в ближайшем будущем — то есть весьма реальные основания полагать, что работоспособный квантовый компьютер будет создан в ближайшие десять лет. На решение этой проблемы направляются колоссальные ресурсы, достигнут значительный (хотя и не подавляющий) прогресс в решении её отдельных частей. И если принципиально существует способ что-то сделать, люди обычно его находят.

Эта неопределённость касается не только биткоина. Более широкая индустрия безопасности уже начала действовать с учётом этого долгосрочного риска: в 2024 году Национальный институт стандартов и технологий США утвердил первые стандарты постквантовой криптографии, одобрив замены для алгоритмов с открытым ключом, которые крупномасштабный квантовый компьютер мог бы поставить под угрозу. Для тех, кто следит за этой областью, ближайшие ориентиры очевидны — продолжат ли наборы логических кубитов масштабироваться при снижении уровня ошибок, и перейдут ли эксперименты от хранения квантовой информации к активным вычислениям с ней, что является именно тем порогом, который автор определяет как открытый вопрос.

Смысл не в том, что пора паниковать, — но эту возможность не стоит сбрасывать со счетов.

Этот материал вошёл в последний печатный выпуск Bitcoin Magazine, The Quantum Issue, и публикуется здесь как ранний обзор идей, раскрываемых в полном выпуске. Впервые он был опубликован на Bitcoin Magazine, автор — Shinobi.