Google Sycamore

Sycamore — это квантовый процессор, разработанный компанией Google (Google LLC — организация, признанная в РФ иностранным агентом). Он был представлен в 2019 году и стал первым квантовым устройством, продемонстрировавшим так называемое «квантовое превосходство» — выполнение задачи, которая, по оценкам разработчиков, была бы практически невыполнима для самого мощного классического суперкомпьютера того времени. Процессор Sycamore относится к типу сверхпроводящих квантовых чипов и использует кубиты на основе джозефсоновских переходов.

История создания

Разработка Sycamore велась в рамках проекта Google Quantum AI, возглавляемого физиком Джоном Мартинисом. Целью проекта было создание масштабируемого квантового компьютера, способного решать задачи, недоступные классическим машинам. Работа над архитектурой чипа началась в середине 2010-х годов. В 2018 году Google представила Bristlecone — 72-кубитный процессор, который, однако, не смог продемонстрировать квантовое превосходство из-за недостаточной точности операций.

Sycamore стал результатом оптимизации архитектуры: количество кубитов было сокращено до 53 (один из 54 кубитов оказался нерабочим), но значительно повышена точность двухкубитных операций. В октябре 2019 года в журнале Nature была опубликована статья, в которой утверждалось, что Sycamore за 200 секунд выполнил задачу случайной выборки цепей (random circuit sampling), которая, по оценкам авторов, заняла бы у самого мощного классического суперкомпьютера того времени (Summit) около 10 000 лет.

Устройство и характеристики

Архитектура

Sycamore представляет собой сверхпроводящий квантовый процессор, работающий при температурах, близких к абсолютному нулю (около 10 милликельвинов). Ключевые элементы архитектуры:

• Кубиты: 53 сверхпроводящих кубита (трансмонов), расположенных в двумерной решётке. Каждый кубит представляет собой нелинейный резонатор, изготовленный из алюминия на кремниевой подложке.
• Связи: кубиты соединены между собой с помощью регулируемых связующих элементов (couplers), что позволяет управлять взаимодействием между соседними кубитами.
• Управление: для выполнения квантовых операций используются микроволновые импульсы, подаваемые через линии связи. Частота каждого кубита может быть индивидуально настроена.

Основные характеристики

• Количество кубитов: 53 (из 54 запланированных).
• Время когерентности: около 15–20 микросекунд (T1 и T2 — времена продольной и поперечной релаксации).
• Точность однокубитных операций: 99,85 % (средняя достоверность).
• Точность двухкубитных операций: 99,4 % (средняя достоверность).
• Частота считывания: до 96,3 % (вероятность правильного определения состояния кубита).

Система охлаждения

Для работы Sycamore требуется многоступенчатая криогенная система — рефрижератор растворения (dilution refrigerator), который обеспечивает поддержание температуры около 10 мК. Весь процессор, включая управляющую электронику и линии связи, размещается в вакуумной камере.

Демонстрация квантового превосходства

Суть эксперимента

Задача, выбранная для демонстрации, заключалась в генерации выборки из случайной квантовой схемы (random circuit sampling). Это задача, которая для классических компьютеров требует экспоненциально растущих вычислительных ресурсов с увеличением числа кубитов и глубины схемы. Sycamore выполнил выборку из схемы с 53 кубитами и глубиной 20 слоёв за 200 секунд.

Оценка классической сложности

В статье Google утверждалось, что для выполнения той же задачи на классическом суперкомпьютере Summit (разработка IBM) потребовалось бы около 10 000 лет. Однако эта оценка была оспорена конкурирующими группами. В 2020 году исследователи из IBM показали, что при оптимизации алгоритмов симуляции время может быть сокращено до нескольких дней. В 2022 году китайская группа учёных сообщила, что с использованием суперкомпьютера «Тайху-Лайт» задача может быть решена за несколько часов.

Критика и дискуссия

• Определение «превосходства»: термин «квантовое превосходство» (quantum supremacy) был введён Джоном Прескиллом в 2012 году для обозначения момента, когда квантовый компьютер может выполнить задачу, недоступную классическому. Однако некоторые учёные считают этот термин неточным, предпочитая «квантовое преимущество» (quantum advantage).
• Практическая ценность: задача случайной выборки цепей не имеет практического применения. Критики указывали, что Sycamore не может решать полезные задачи (например, факторизацию или моделирование молекул) быстрее классических компьютеров.
• Воспроизводимость: эксперимент был выполнен один раз, и его результаты не были независимо воспроизведены другими группами. Google предоставила ограниченный доступ к данным.

Применение и перспективы

Текущие возможности

На момент анонса Sycamore не был предназначен для коммерческого использования. Его основная цель — демонстрация принципиальной возможности квантовых вычислений и отработка технологий. В 2020–2023 годах процессор использовался для:

• Моделирования квантовых систем: исследование фазовых переходов и динамики спиновых систем.
• Тестирования алгоритмов: проверка квантовых алгоритмов коррекции ошибок и оптимизации.
• Обучения нейросетей: эксперименты по квантовому машинному обучению.

Планы Google

В 2023 году Google объявила о разработке следующего поколения квантовых процессоров — серии Willow. Ожидается, что эти чипы будут иметь более 100 кубитов и повышенную точность операций. Целью является создание отказоустойчивого квантового компьютера к концу 2020-х годов.

Ограничения

• Коррекция ошибок: Sycamore не поддерживает полную квантовую коррекцию ошибок. Ошибки накапливаются при увеличении числа операций, что ограничивает глубину схем.
• Масштабируемость: увеличение числа кубитов требует решения проблем с перекрёстными помехами и управлением.
• Энергопотребление: криогенная система потребляет значительное количество энергии (десятки киловатт), что делает процессор непригодным для массового использования.

Сравнение с аналогами

Интересные факты

• Название «Sycamore» (платан) было выбрано случайно из списка деревьев, используемого Google для кодовых имён проектов.
• Чип был изготовлен на фабрике Google в Санта-Барбаре (Калифорния, США).
• В 2020 году результаты эксперимента Sycamore были подвергнуты сомнению группой учёных из IBM, которые утверждали, что задача может быть решена классическим компьютером за 2,5 дня при использовании более эффективного алгоритма.
• В 2022 году китайский процессор Zuchongzhi 2.0 выполнил аналогичную задачу в 100 раз быстрее Sycamore, но также не имел практического применения.
• Sycamore стал первым квантовым процессором, который был использован для демонстрации «квантового превосходства» в рецензируемом научном издании.

Источники

• Arute, F., Arya, K., Babbush, R. et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature 574, 505–510 (2019).
• Google Quantum AI. «Sycamore: A 53-qubit quantum processor». Google Research Blog, 2019.
• Pednault, E. et al. «Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits». arXiv:1910.09534 (2019).
• Huang, Y. et al. «Quantum computational advantage using 66-qubit Zuchongzhi». Physical Review Letters 127, 180501 (2021).
• IBM Research. «On the question of quantum supremacy». IBM Research Blog, 2019.