Революція вже близько? Як вчені з усього світу наближають еру квантових комп’ютерів — та до чого це може призвести

Поки що це відкрите питання. Хоча за останні роки у сфері квантових обчислень були значні прориви, як от створення квантової мікросхеми, часових кристалів чи розробка нових методів уникнення помилок, у нас і досі немає робочої технології та реально робочого квантового комп’ютера, здатного вирішувати практичні завдання.

Перед вченими стоїть ще багато завдань та проблем, які заважають не лише масштабуванню технології, але і її стабільному розвитку. Розібралися, чого чекати від цієї сфери найближчим часом та над якими аспектами роботи квантових комп’ютерів б’ються вчені.

Коротко: що таке квантові комп’ютери та в чому їхня відмінність від вашого ноутбука?

Уся інформація, яка є у звичайних комп’ютерах, зберігається у ньому у вигляді двійкового коду, тобто нескінченної кількості нулів і одиниць. Будь-яке повідомлення чи стаття, гра, у яку ви граєте та взагалі будь-що, що ви бачите на своєму моніторі, складається з бітів, які ваш комп’ютер обробляє та видає вам готову картинку. Біт є мінімальною одиницею інформації у звичайному комп’ютері, і він може мати значення 0 або 1.

Мінімальна одиниця інформації у квантових комп’ютерах — це кубіт, тобто квантовий біт (quantum bit). Головна його відмінність від біта полягає в тому, що він може перебувати в стані суперпозиції, тобто у двох станах одночасно — і 0, і 1. Це дозволяє їм зберігати набагато більше даних та проводити виконувати складні обчислення, які не під силу звичайним бітам.

Чим більше кубітів у квантовому комп’ютері, тим більше можливих станів йому доступні. Один кубіт додає одну ступінь до 2. Два кубіти дасть 4 можливих стани (2²); десять кубітів — 1024 (2¹º) і так далі. Саме ця квантова особливість дає квантовим комп’ютерам суперсилу, недоступну звичайним комп’ютерам. Але водночас вона вимагає величезної роботи над іншими аспектами технології: апаратним та програмним забезпеченням, розробки нових мов програмування та роботи із кубітами, які дуже не люблять зовнішнього втручання.

Щоб повністю розкрити потенціал квантових комп’ютерів, кубіти мають бути пов’язані між собою: вчені називають це явище квантовою заплутаністю. Заплутані один між одним кубіти стають ніби єдиним цілим, і будь-яка зміна стану одного з них негайно спричинить таку ж зміну в іншому, попри відстань між ними. Пояснити цю особливість вчені не можуть і досі; свого часу Альберт Айнштайн називав її «моторошною дією на відстані».

Загадка квантової переваги

Досягнення квантової переваги — тобто можливості розв’язувати завдання, з якими не впорається класичний комп’ютер — є золотим Граалем, який вчені шукають вже кілька десятиріч.

Свого часу у гонитві за гучними заголовками інженери компанії Google трохи схитрували. Їхньому квантовому процесору Sycamore вдалося довести випадковість чисел, створених генератором випадкових чисел за три хвилини та двадцять секунд. Вчені Google стверджували, що на розв’язання цієї задачі звичайним комп’ютерам знадобилися б мільйони років.

Проте цю заяву ще тоді розкритикували співробітники відділу квантових обчислень IBM. За їхніми словами, оптимізація обладнання та використання кожного доступного біта дала б можливість їхньому суперкомп’ютеру Summit впоратися із завданням всього за два з половиною дні. А влітку 2022-го року вченим з Інституту теоретичної фізики Китайської академії наук вдалося створити комп’ютер, який розв’язав задачу всього за 15 годин. Причому, якби у розпорядженні вчених був суперкомп’ютер ІВМ, їм би вдалося вкластися в кілька десятків секунд — у мільярди разів швидше, ніж передбачала команда Google.

Заява Google вийшла трохи хайповою та піарною, проте їхній Sycamore дійсно витрачає набагато менше енергії, щоб вирішити це специфічне завдання. Крім того, досягнення Google стало гучною демонстрацією потенціалу квантових обчислень, навіть якщо насправді воно не відповідає ідеальному визначенню квантової переваги.

Зараз вчені сперечаються, яким саме чином ми маємо визначати квантову перевагу, проте робота американської компанії точно стала відправною точкою у цій гонитві.

Зміна парадигми

Деякі компанії (IBM, Google, Microsoft, Amazon, Intel, Rigetti Computing, D-Wave Systems) вже мають квантові комп’ютери, проте вони все ще все ще перебувають на ранніх стадіях розвитку і ще не є широко доступними для комерційного використання, попри роки розробки. Ці машини здатні виконувати певні специфічні завдання, створенні спеціально для квантової архітектури, проте вони поки не готові вирішувати практичні завдання.

Довгий час компанії займалися тим, що мірялися своїми процесорами — який з них досконаліший, який вміщує більше кубітів або потребує меншої кількості енергії для роботи. Наприклад, IBM у 2021 році представила чип зі 127 кубітами; нещодавно компанія представила 433-кубітний процесор Osprey, а вже цього року дослідники планують випустили процесор Condor, який начебто вміщуватиме в себе 1121 кубіт.

Проте тепер, коли хайп потроху починає спадати (або хоча б трансформує наші очікування), компанії починають працювати не тільки над кількістю. Так, ще один новий процесор від IBM, що називається Heron, матиме лише 133 кубіти. Проте його фішкою буде сумісність з іншими процесорами, що дозволить збирати «модульні» квантові комп’ютери, в основі якого будуть кілька процесорів замість одного.

Проєкт IBM — це лише початок для модульних квантових комп’ютерів. Ідея такої трансформації полягає в тому, щоб розбити великомасштабну квантову обчислювальну систему на менші, більш керовані модулі. Це забезпечить більшу масштабованість і гнучкість систем, полегшить їхнє конструювання та підтримку роботу, а також знизить вартість побудови квантових комп’ютерів.

«Єдиний шлях до масштабування квантових обчислень — це створити модулі по кілька тисяч кубітів і почати з'єднувати їх, щоб отримати когерентний зв’язок. Це може відбуватися як в одній кімнаті, так і в різних частинах кампусу або в різних містах. Ми знаємо потужність розподілених обчислень з класичного світу, але для квантових нам потрібні когерентні зв’язки», — розповідає Джек Хідарі, генеральний директор компанії SandboxAQ, що займається квантовими розробками, в інтерв'ю MIT Technology Review.

Квантовий інтернет

NV вже розповідав про експерименти у цьому напрямку. Квантовий інтернет — це не про покращення сучасного інтернету, а про підтримку зв’язку між кількома пристроями, які об'єднані в єдину систему. Саме цей зв’язок і є основою модульної системи побудови квантового комп’ютера.

Так, у травні 2021-го науковці дослідницького центру QuTech з Делфтського технологічного університету створили єдину мережу із трьох квантових пристроїв. Інформація між ними передавалася за допомогою фотонів (частинок світла), які рухалися через оптоволокно. Щоб підтримувати квантову заплутаність між трьома процесорами, вчені помістили їх у кріостати — теплоізольовані пристрої, які захищали квантові вузли від навколишнього середовища, вплив якого дуже легко порушує квантовий зв’язок.

Проблемою для вчених стало те, що відправка фотонів на значні відстані, призвело до того, що вони розсіялися б — це, своєю чергою, призвело б до втрати сигналу і руйнування мережі. Тому вчені вирішили зробити одну з трьох точок квантової мережі під кодовими іменами Еліс, Боб і Чарлі чимось на кшталт посередника.

Ця роль дісталась Бобу. Тобто, між Еліс і Чарлі не було прямого зв’язку — обидва вузли були пов’язані лише з Бобом.

Однак цим все не обмежилося, адже фотону мало просто сказати «заплутайся і вирушай он туди». Для його створення необхідна ідеальна синхронізація лазерів, а щоб давати їм правильну команду і спрямовувати в потрібні вузли, дослідникам довелося використовувати складну систему дзеркал і лазерного світла.

Вже через рік експерименти показали, що це робочий варіант, адже дослідникам вдалось досягти квантової заплутанності між двома непов’язаними системами: якщо змінювався квантовий стан Чарлі, Еліс також трансформувалася. І навпаки.

«Це справжня телепортація, як у науково-фантастичних фільмах. Стан або інформація дійсно зникають з однієї сторони та з’являються з іншої. Оскільки вони не подорожують у просторі між ними, [дані] також не можуть загубитися», — каже Рональд Хенсон, який керував дослідженнями. Він пояснює, що у майбутньому у такий спосіб можна буде поєднувати квантові системи на відстані в сотні кілометрів (відстань між Еліс, Бобом та Чарлі становила близько 20 метрів).

Схожу технологію минулого року продемонструвала ще одна команда вчених — вони створили квантовий ретранслятор, який ефективно передав квантову інформацію на 600 кілометрів.

Не шуми

Одна з головних проблем квантових комп’ютерів — схильність цих систем до помилок. Квантова заплутаність несе з собою проблему декогеренції — це втрата зв’язку між кубітами внаслідок їхньої взаємодії з навколишнім середовищем. Вчені називають цей вплив шумом, адже через нього кубіти не здатні «почути» один одного, втрачаючи зв’язок.

Чим більше кубітів, тим легше порушити зв’язок між ними, що призводить до помилок і ставить під питання стабільність усієї системи. Адже кому потрібні надшвидкі обчислення, якщо вони неточні? Насправді повністю ізолювати кубіти квантового комп’ютера від шуму досить складно, що і викликає ту саму схильність системи до численних помилок.

Нещодавно ми розповідали про три незалежні команди вчених, які намагаються розв’язати саме цю проблему. Вони працювали над різними підходами, щоб зберегти когерентність кремнієвих кубітів — і це їм вдалося, принаймні з одинарними та парними кубітами.

Проте варто розуміти, що зараз немає універсального рішення, яке працюватиме для усіх систем, а тому дослідники безперестанку продовжують шукати нові способи запобігти декогеренції.

Наприклад, дослідники Google та компанії Quantinuum вивчають можливість створення «рятувальних команд», із кубітів, які будуть виправляти помилки квантових систем. А команда американських фізиків під керівництвом Філіпа Думітреску, яка також працювала із процесором Quantinuum створила новий стан матерії, який допоміг утримувати систему в робочому стані.

Дослідники IBM та IonQ пішли іншим шляхом. Вони не намагаються створювати нові кубіти, або якось реорганізовувати їхню роботу. Натомість вчені (незалежно один від одного) вивчають, як саме зовнішнє середовище впливає на роботу кубітів та як воно провокує помилки всередині квантового комп’ютера. Після чого система програмується у такий спосіб, щоб в результаті цей вплив віднімався самостійно. Мінус системи в тому, що вона не є реактивною — тобто, вчені фактично діють наосліп, намагаючись вгадати, як саме шум вплине на систему і заздалегідь програмуючи систему відповідним чином.

А нещодавно вчені з Університету Сассекса розробили систему, у якій кубіти рухалися з неймовірною швидкістю та точністю — інформація передавалась з надійністю 99,999993%. Команда навіть створила свій стартап — Universal Quantum, який продовжить розвивати цю технологію.

Сахра Кулмія, одна із вчених, яка працювала над новою технологією, стверджує, що створення квантових комп’ютерів вже давно перестало бути виключно проблемою фізиків. «Це інженерна проблема, проблема інформатики, а також математична проблема», — пояснює вона.

Складність подальшої розробки точних квантових систем означає, що найближчим часом не варто сподіватися на їхню появу та активне використання. Поки що це скоріше дуже цікаві та складні наукові проєкти, ніж машини, які можна використовувати на практиці. Проте це поле залучило величезну кількість сильних вчених і мільярди інвестицій. Адже світ уже давно зрозумів, що майбутнє людства — квантове.