Нам нужно заменить закон Мура, чтобы освободить место для квантовых компьютеров, но что дальше?

Новая разрушительная технология находится на горизонте, и она обещает поднять вычислительную мощность до беспрецедентных и невообразимых высот.

И чтобы предсказать скорость прогресса этой новой технологии «квантовых вычислений», директор Google Quantum AI Labs Хартмут Невен предложил новое правило, подобное закону Мура, которое измеряет прогресс компьютеров на протяжении более 50 лет.

Но можем ли мы доверять «закону Невена» как истинному представлению о том, что происходит в квантовых вычислениях, и, самое главное, о том, что произойдет в будущем? Или это просто слишком рано в гонке, чтобы придумать такой тип суждения?

В отличие от обычных компьютеров, которые хранят данные в виде электрических сигналов, которые могут иметь одно из двух состояний (1 или 0), квантовые компьютеры могут использовать множество физических систем для хранения данных, таких как электроны и фотоны.

Они могут быть спроектированы для кодирования информации в нескольких состояниях, что позволяет им выполнять вычисления экспоненциально быстрее, чем традиционные компьютеры.

Квантовые вычисления все еще находятся в зачаточном состоянии, и никто еще не создал квантовый компьютер, который может превзойти обычные суперкомпьютеры. Но, несмотря на некоторый скептицизм, широко распространено волнение по поводу того, как быстро достигается прогресс в настоящее время.

Таким образом, было бы полезно иметь представление о том, что мы можем ожидать от квантовых компьютеров в ближайшие годы.

Закон Мура описывает способ, которым вычислительная мощность традиционных цифровых компьютеров имеет тенденцию удваиваться примерно каждые два года, создавая то, что мы называем экспоненциальным ростом.

Названный в честь соучредителя Intel Гордона Мура, этот закон более точно описывает скорость увеличения числа транзисторов, которые можно интегрировать в кремниевый микрочип.

Но квантовые компьютеры разработаны совершенно по-другому, в соответствии с законами квантовой физики. И поэтому закон Мура не применяется. Вот тут-то и вступает в силу закон Невена. Он утверждает, что мощность квантовых компьютеров испытывает «двукратный экспоненциальный рост по сравнению с традиционными вычислениями».

Экспоненциальный рост означает, что что-то растет степенями двух: 2 ^ 1 (2), 2 ^ 2 (4), 2 ^ 3 (8), 2 ^ 4 (16) и так далее. Вдвойне экспоненциальный рост означает, что что-то растет благодаря степеням двух: 2 ^ 2 (4), 2 ^ 4 (16), 2 ^ 8 (256), 2 ^ 16 (65 536) и так далее.

Чтобы представить это в перспективе, если бы традиционные компьютеры продемонстрировали двукратный экспоненциальный рост по закону Мура (а не по одному экспоненциальному), у нас были бы современные ноутбуки и смартфоны к 1975 году.

Этот невероятно быстрый темп должен вскоре привести, как надеется Невен, к так называемому квантовому преимуществу. Это долгожданная веха, когда сравнительно небольшой квантовый процессор обгоняет самые мощные обычные суперкомпьютеры.

Причина этого двукратного экспоненциального роста основана на внутренних наблюдениях. Согласно интервью с Невеном, ученые Google лучше справляются с уменьшением количества ошибок своих квантовых компьютерных прототипов. Это позволяет им создавать более сложные и мощные системы с каждой итерацией.

Невен утверждает, что сам этот прогресс является экспоненциальным, во многом как закон Мура. Но квантовый процессор по своей природе и экспоненциально лучше, чем классический равного размера.

Это потому, что он использует квантовый эффект, называемый запутанностью, который позволяет одновременно выполнять различные вычислительные задачи, вызывая экспоненциальные ускорения.

Итак, упрощенно, если квантовые процессоры развиваются с экспоненциальной скоростью и они экспоненциально быстрее, чем классические процессоры, квантовые системы развиваются с удвоенной экспоненциальной скоростью по отношению к своим классическим аналогам.
Примечание предостережения

Хотя это звучит захватывающе, мы должны проявлять осторожность. Для начала вывод Невена, кажется, основан на нескольких прототипах и прогрессе, измеренном за относительно короткий период времени (год или меньше).

Так мало точек данных можно легко сделать, чтобы соответствовать многим другим моделям экстраполированного роста.

Существует также практическая проблема, заключающаяся в том, что, поскольку квантовые процессоры становятся все более сложными и мощными, технические проблемы, которые сейчас незначительны, могут стать гораздо более важными.

Например, наличие даже небольшого электрического шума в квантовой системе может привести к вычислительным ошибкам, которые становятся все более частыми по мере роста сложности процессора.

Эта проблема может быть решена путем реализации протоколов исправления ошибок, но это фактически означает добавление большого количества резервного оборудования к процессору, который в противном случае является избыточным.

Таким образом, компьютер должен был бы стать намного более сложным, не получая много дополнительной энергии, если таковая вообще имеется. Такая проблема может повлиять на предсказание Невена, но в данный момент слишком рано, чтобы позвонить.

Несмотря на то, что закон Мура был всего лишь эмпирическим наблюдением, а не фундаментальным законом природы, он предвидел прогресс традиционных вычислений с замечательной точностью на протяжении 50 лет.

В некотором смысле это было больше, чем просто предсказание, поскольку оно стимулировало индустрию микрочипов принять последовательную дорожную карту, разработать регулярные этапы, оценить объемы инвестиций и оценить перспективы.