Революция уже близко? Как ученые со всего мира приближают эру квантовых компьютеров — и к чему это может привести

Пока это открытый вопрос. Хотя за последние годы в области квантовых вычислений были значительные прорывы, такие как создание квантовой микросхемы, временных кристаллов или разработка новых методов избегания ошибок, у нас до сих пор нет рабочей технологии и реально рабочего квантового компьютера, способного решать практические задачи.

Перед учеными стоит еще много задач и проблем, мешающих не только масштабированию технологии, но и ее стабильному развитию. Разобрались, чего ждать от этой сферы в ближайшее время и над какими аспектами работы квантовых компьютеров бьются ученые.

Коротко: что такое квантовые компьютеры и в чем их отличие от вашего ноутбука?

Вся информация, имеющаяся в обычных компьютерах, хранится в нем посредством двоичного кода, то есть бесконечного количества нулей и единиц. Любое сообщение или статья, игра, в которую вы играете и вообще что угодно, что вы видите на своем мониторе, состоит из битов, которые ваш компьютер обрабатывает и выдает вам готовую картинку. Бит является минимальной единицей информации в обычном компьютере и может иметь значение 0 или 1.

Минимальная единица информации в квантовых компьютерах — это кубит, то есть квантовый бит (quantum bit). Главное его отличие от бита состоит в том, что он может находиться в состоянии суперпозиции, то есть в двух состояниях одновременно — и 0, и 1. Это позволяет им хранить гораздо больше данных и производить сложные вычисления, которые не под силу обычным битам.

Чем больше кубитов в квантовом компьютере, тем больше возможных состояний ему доступны. Один кубит добавляет одну степень к 2. Два кубита даст 4 возможных состояния (2²); десять кубитов — 1024 (2¹º) и так далее. Именно эта квантовая особенность дает квантовым компьютерам суперсилу, недоступную обычным компьютерам. Однако она требует огромной работы над другими аспектами технологии: аппаратным и программным обеспечением, разработки новых языков программирования и работы с кубитами, которые очень не любят внешнего вмешательства.

Чтобы полностью раскрыть потенциал квантовых компьютеров, кубиты должны быть связаны: ученые называют это явление квантовой запутанностью. Запутанные между собой кубиты становятся как бы единым целым, и любое изменение состояния одного из них немедленно повлечет за собой такое же изменение в другом, несмотря на расстояние между ними. Объяснить эту особенность ученые не могут до сих пор; в свое время Альберт Эйнштейн называл ее «жутким действием на расстоянии».

Загадка квантового преимущества

Достижение квантового преимущества, то есть возможности решать задачи, с которыми не справится классический компьютер, является золотым Граалем, который ученые ищут уже несколько десятилетий.

В свое время в погоне за громкими заголовками инженеры компании Google немного схитрили. Их квантовому процессору Sycamore удалось доказать случайность чисел, созданных генератором случайных чисел за три минуты и двадцать секунд. Ученые Google утверждали, что для решения этой задачи обычным компьютерам понадобились бы миллионы лет.

Однако это заявление еще тогда подвергли критике сотрудники отдела квантовых вычислений IBM. По их словам, оптимизация оборудования и использование каждого доступного бита позволила бы их суперкомпьютеру Summit справиться с задачей всего за два с половиной дня. А летом 2022 года ученым из Института теоретической физики Китайской академии наук удалось создать компьютер, который решил задачу всего за 15 часов. Причем, если бы в распоряжении ученых был суперкомпьютер ІВМ, им бы удалось уложиться в несколько десятков секунд — в миллиарды раз быстрее, чем предполагала команда Google.

Заявление Google получилось немного хайповым и пиарным, однако их Sycamore действительно тратит гораздо меньше энергии, чтобы решить эту специфическую задачу. Кроме того, достижение Google стало громкой демонстрацией потенциала квантовых вычислений, даже если оно не соответствует идеальному определению квантового преимущества.

Сейчас ученые спорят, каким образом мы должны определять квантовое преимущество, однако работа американской компании точно стала отправной точкой в этой погоне.

Смена парадигмы

Некоторые компании (IBM, Google, Microsoft, Amazon, Intel, Rigetti Computing, D-Wave Systems) уже имеют квантовые компьютеры, однако они все еще находятся на ранних стадиях развития и еще не широко доступны для коммерческого использования, несмотря на годы разработки. Эти машины способны выполнять определенные специальные задачки, сделанные специально для квантовой архитектуры, но они пока не готовы решать практические задачи.

Долгое время компании занимались тем, что мерялись своими процессорами — какой из них более совершенен, вмещает больше кубитов или требует меньшего количества энергии для работы. К примеру, IBM в 2021 году представила чип со 127 кубитами; Недавно компания представила 433-кубитный процессор Osprey, а уже в этом году исследователи планируют выпустить процессор Condor, который вроде бы будет вмещать в себя 1121 кубит.

Однако теперь, когда хайп понемногу начинает спадать (или хотя бы трансформирует наши ожидания), компании начинают работать не только над количеством. Так, еще один новый процессор от IBM, который называется Heron, будет иметь всего 133 кубита. Однако его фишкой будет совместимость с другими процессорами, что позволит собирать «модульные» квантовые компьютеры, в основе которого будут несколько процессоров вместо одного.

Проект IBM — это только начало для модульных квантовых компьютеров. Идея такой трансформации состоит в том, чтобы разбить крупномасштабную квантовую вычислительную систему на меньшие, более управляемые модули. Это обеспечит большую масштабируемость и гибкость систем, облегчит их конструирование и поддержку работы, а также снизит стоимость построения квантовых компьютеров.

«Единственный путь к масштабированию квантовых вычислений — это создать модули по несколько тысяч кубитов и начать соединять их, чтобы получить когерентную связь. Это может происходить как в одной комнате, так и в разных частях кампуса или в разных городах. Мы знаем мощность распределенных вычислений из классического мира, но для квантовых нам нужны когерентные связи», — рассказывает Джек Хиддари, генеральный директор компании SandboxAQ, занимающейся квантовыми разработками, в интервью MIT Technology Review.

Квантовый интернет

NV уже рассказывал об экспериментах в этом направлении. Квантовый интернет — это не об улучшении современного интернета, а о поддержке связи между несколькими устройствами, объединенными в единую систему. Именно эта связь является основой модульной системы построения квантового компьютера.

Так, в мае 2021-го ученые исследовательского центра QuTech из Делфтского технологического университета создали единую сеть из трех квантовых устройств. Информация между ними передавалась с помощью фотонов (частиц света), двигавшихся через оптоволокно. Чтобы поддерживать квантовую запутанность между тремя процессорами, ученые поместили их в криостаты — теплоизолированные устройства, защищавшие квантовые узлы от окружающей среды, воздействие которой очень легко нарушает квантовую связь.

Проблемой для ученых стало то, что отправка фотонов на значительные расстояния привела к тому, что они рассеялись бы — это в свою очередь привело бы к потере сигнала и разрушению сети. Поэтому ученые решили сделать одну из трех точек квантовой сети под кодовыми именами Элис, Боб и Чарли чем-то вроде посредника.

Эта роль досталась Бобу. То есть, между Элис и Чарли не было прямой связи — оба узла были связаны только с Бобом.

Однако этим все не ограничилось, ведь фотону мало просто сказать «запутайся и отправляйся туда». Для создания необходима идеальная синхронизация лазеров, а чтобы давать им правильную команду и направлять в нужные узлы, исследователям пришлось использовать сложную систему зеркал и лазерного света.

Уже через год эксперименты показали, что это рабочий вариант, ведь исследователям удалось достичь квантовой запутанности между двумя несвязанными системами: если изменялось квантовое состояние Чарли, Элис также трансформировалась. И наоборот.

«Это настоящая телепортация, как в научно-фантастических фильмах. Состояние или информация действительно исчезают с одной стороны и появляются с другой. Поскольку они не путешествуют в пространстве между ними, [данные] также не могут потеряться», — говорит руководивший исследованиями Рональд Хэнсон. Он объясняет, что в будущем таким образом можно будет совмещать квантовые системы на расстоянии в сотни километров (расстояние между Элис, Бобом и Чарли составляло около 20 метров).

Подобную технологию в прошлом году продемонстрировала еще одна команда ученых — они создали квантовый ретранслятор, эффективно передавший квантовую информацию на 600 километров.

Не шуми

Одна из главных проблем квантовых компьютеров — склонность этих систем к ошибкам. Квантовая запутанность несет с собой проблему декогеренции — потери связи между кубитами вследствие их взаимодействия с окружающей средой. Ученые называют это влияние шумом, ведь из-за него кубиты не способны «услышать» друг друга, теряя связь.

Чем больше кубитов, тем легче нарушить связь между ними, что приводит к ошибкам и ставит под вопрос стабильность всей системы. Ведь кому нужны сверхбыстрые вычисления, если они неточные? На самом деле полностью изолировать кубиты квантового компьютера от шума довольно сложно, что и вызывает ту же склонность системы к многочисленным ошибкам.

Недавно мы рассказывали о трех независимых командах ученых, которые пытаются решить эту проблему. Они работали над разными подходами, чтобы сохранить когерентность кремниевых кубитов — и это им удалось, по крайней мере, с одинарными и парными кубитами.

Однако следует понимать, что сейчас нет универсального решения, которое будет работать для всех систем, а потому исследователи беспрестанно продолжают искать новые способы предотвратить декогеренцию.

К примеру, исследователи Google и компании Quantinuum изучают возможность создания «спасательных команд» из кубитов, которые будут исправлять ошибки квантовых систем. А команда американских физиков под руководством Филиппа Думитреску, которая также работала с процессором Quantinuum, создала новое состояние материи, которое помогло удерживать систему в рабочем состоянии.

Исследователи IBM и IonQ пошли по другому пути. Они не пытаются создавать новые кубиты или как-то реорганизовывать их работу. В то же время ученые (независимо друг от друга) изучают, как сама внешняя среда влияет на работу кубитов и как она провоцирует ошибки внутри квантового компьютера. После чего система программируется таким образом, чтобы в результате это воздействие отнималось самостоятельно. Минус системы в том, что она не является реактивной — то есть ученые фактически действуют вслепую, пытаясь угадать, как шум повлияет на систему и заранее программируя систему соответствующим образом.

А недавно ученые из Университета Сассекса разработали систему, в которой кубиты двигались с невероятной скоростью и точностью — информация передавалась с надежностью 99,999993%. Команда даже создала свой стартап — Universal Quantum, который продолжит развивать эту технологию.

Сахра Кулмия, одна из ученых, работавшая над новой технологией, утверждает, что создание квантовых компьютеров уже давно перестало быть исключительно проблемой физиков. «Это инженерная проблема, проблема информатики, а также математическая проблема», — объясняет она.

Сложность дальнейшей разработки точных квантовых систем означает, что в ближайшее время не стоит уповать на их появление и активное использование. Пока это, скорее, очень интересные и сложные научные проекты, чем машины, которые можно использовать на практике. Однако это поле привлекло огромное количество сильных и миллиарды инвестиций. Ведь мир уже давно понял, что будущее человечества квантовое.