Китайска машина от светлина реши за 200 секунди задача за 2,5 милиарда години. А не може да събере две числа

През декември 2020 г. от лаборатория в китайския град Хефей дойде новина, която приличаше на печатна грешка. Апарат от лазери, огледала и детектори на светлина изпълни за 200 секунди изчислителна задача, оценена на около 2,5 милиарда години работа за суперкомпютъра Sunway TaihuLight. За сравнение: това е около половината от възрастта на Земята.

Машината се казва Jiuzhang, на името на древен китайски математически трактат, и е дело на екипа на физика Пан Дзиенвей от Китайския университет за наука и технологии в Хефей. Резултатът излезе в списание Science на 3 декември 2020 г. и оттогава живее в заглавията като момента, в който квантовите машини победиха класическите. Историята е по-интересна от заглавието: постижението е истинско, но означава нещо доста по-тясно, отколкото повечето хора си представят.

От години физиците търсеха начин да докажат на практика, че квантово устройство може да свърши нещо, непосилно за обикновените компютри. Универсалната квантова машина, способна да изпълнява произволни програми, беше и още е далечна цел. Затова теоретиците предложиха пряк път: вместо полезна програма, избери една-единствена задача, скроена така, че да е естествена за квантово устройство и чудовищно тежка за класическо. Победиш ли на нея, си доказал принципа.

Google мина първи по този път през 2019 г. с чип от свръхпроводящи кубити, но оценката му колко време би отнела задачата на обикновен суперкомпютър скоро беше свалена с по-умни класически алгоритми. Година по-късно китайският екип заложи на съвсем друга технология: не електроника при температури близо до абсолютната нула, а светлина.

Задачата на Jiuzhang се нарича гаусово бозонно семплиране. Зад плашещото име стои проста постановка. Представете си детска дъска, по която пускате топче през гора от забити пирони: то подскача наляво и надясно и накрая пада в едно от отделенията долу. Пуснете хиляди топчета и ще видите кое отделение колко често се пълни.

Jiuzhang прави същото със светлина. Апаратът изстрелва частици светлина (фотони) през плетеница от огледала и полупрозрачни разделители на лъча, а детектори отчитат къде излиза всяка от тях. Разликата с топчетата е решаваща: фотоните са квантови обекти и пътищата им си влияят взаимно. Затова класически компютър предсказва разпределението на резултатите невъобразимо бавно, а самата машина не смята нищо: тя просто работи и отговорът е собственото ѝ поведение.

При опита от 2020 г. Jiuzhang регистрира до 76 фотона в система със 100 оптични канала и събра нужните извадки за 200 секунди. По сметките на екипа най-добрите известни класически алгоритми, пуснати на Sunway TaihuLight, биха стигнали до същия резултат за около 2,5 милиарда години. Точно това означава изразът „квантово изчислително превъзходство“: не по-добър компютър, а първото категорично доказателство, че квантово устройство изпреварва всичко класическо поне на една задача.

Тук идват границите. И те са твърди. Jiuzhang не е компютър в обичайния смисъл: не може да събере две числа, не изпълнява програми и не решава нито една практическа задача. Гаусовото бозонно семплиране е избрано не защото е полезно, а защото се смята за класически непосилно. Резултатът от работата на машината е купчина случайни извадки от сложно разпределение, а не прогноза за времето или молекула за ново лекарство.

Апаратът не може да изпълнява и прочутите квантови алгоритми, за които се говори от години, например разбиването на криптография по метода на Шор. За тях е нужна универсална, програмируема машина с корекция на грешките. Jiuzhang е специализиран еднозадачен инструмент.

Jiuzhang доказа, че квантово устройство може да изпревари всеки класически суперкомпютър, но само на една задача без практическа полза. Това е научен крайъгълен камък, не нов вид компютър.

Екипът продължи да вдига летвата. Jiuzhang 2.0, описан в списание Physical Review Letters през октомври 2021 г., регистрира до 113 фотона в система със 144 канала. Jiuzhang 3.0, представен през октомври 2023 г., стигна до 255 фотона: по оценка на екипа най-тежките му извадки се генерират за около една милионна от секундата, а на суперкомпютъра Frontier биха отнели над 20 милиарда години.

Впечатляващите милиарди години заслужават честна уговорка: те не са измерени, а изчислени при предположения кой е най-добрият класически алгоритъм. А класическите алгоритми също напредват. Изследване в списание Science Advances от януари 2022 г. преизчисли задачата на оригиналния Jiuzhang с по-нови методи и свали оценката от 2,5 милиарда на около 600 милиона години. Числото остава астрономично, но е четири пъти по-малко и напомня, че границата между квантово и класическо се движи.

Има и по-дълбок въпрос. Техническа публикация от 2023 г. изследва дали някои класически модели не биха могли да възпроизведат част от статистиката на оригиналния експеримент. Тя не обори резултата, но показа, че проверката на подобни твърдения е самостоятелен научен проблем. Честната формулировка е „непосилно за известните класически методи“, а не „доказано невъзможно“.

Защото спорът работи точно както трябва да работи науката. Едно силно твърдение привлече по-добри класически алгоритми, по-строги проверки и по-добри експерименти, и всяка от страните направи другата по-точна. Междувременно инженерният напредък е безспорен: да контролираш едновременно стотици фотони с такава прецизност беше немислимо преди десетилетие, а точно този контрол е градивен камък на бъдещите фотонни квантови компютри.

Затова следващия път, когато заглавие обяви, че квантова машина е решила задача за милиарди години, ключът е в един въпрос: каква точно е задачата. Понякога отговорът е „специално скроена демонстрация“. Това не прави постижението по-малко, стига да знаем какво празнуваме.