В последние годы ученые и инженеры столкнулись с новым вызовом — вступлением в эру квантовых технологий. Предполагается, что квантовые компьютеры смогут преодолеть ограничения ныне существующих классических систем и предложить решения задач, которые невозможно выполнить с помощью современных вычислительных мощностей. В этой статье «РБК Тренды» расскажут про последние достижения в области квантовых технологий и препятствия, с которыми сталкиваются исследователи на пути к созданию полноценных квантовых компьютеров.
Большая тройка: IBM, Google, IonQ
IBM
В 2023 году на Quantum Summit технологический гигант IBM представил несколько новинок — квантовые процессоры Condor и Heron с 1121 и 133 кубитами соответственно. Кубит (сокращение от «квантовый бит») — это эквивалент бита, который может хранить «суперпозицию» логического нуля и единицы — ноль, единицу, ноль и единицу одновременно, или ни то ни другое. Именно это способствует ускорению решения задач на десятки порядков быстрее классических вычислительных машин.
Процессор Heron мощнее своего предшественника Eagle, у которого было всего 127 квантов. Также он показал себя в три–пять раз эффективнее в подавлении ошибок и минимизации квантового шума.
Квантовый шум — это явление, возникающее при определенных условиях в квантовых системах и приводящее к случайному изменению их состояния. В отличие от классического шума, который обычно связан с внешними источниками помех, квантовый шум возникает из-за фундаментальных законов квантовой механики.
Помимо увеличенного количества кубитов и улучшенных возможностей снижения ошибок, Heron также оснащен настраиваемыми соединителями. Эта функция позволяет более точно контролировать взаимодействие кубитов, тем самым уменьшая квантовый шум и перекрестные помехи между кубитами — кубиты будут меньше влиять на своих соседей, что еще больше повысит общую точность квантовых операций.
Преимущество Heron заключается также в его модульности, что позволяет объединять несколько чипов для увеличения общей мощности квантовой обработки. IBM также представила Quantum System Two, состоящую из трех чипов Heron. Эта система предназначена для одновременного выполнения нескольких задач, что является важной функцией для квантовых супервычислений. Quantum System Two уже функционирует в лаборатории IBM в Йорктаун-Хайтс, штат Нью-Йорк.
IBM также представила самый большой процессор Condor — с 1121 кубитом.
В этом процессоре IBM удалось увеличить плотность кубитов на 50% и повысить производительность чипа. Компания также отметила масштабность инфраструктуры, необходимой для поддержки Condor, — более 1,6 км криогенных высокоплотных кабелей, чтобы поддерживать низкую температуру, которая нужна для работы кубитов.
IBM отметила, что, несмотря на большое количество кубитов, производительность Condor может сравниться с Osprey — предыдущим квантовым процессором компании, у которого было 433 кубита. Однако создание Condor считается важным шагом в сфере инноваций, поскольку успехи Condor могут повлиять на проектирование оборудования в будущем и поспособствовать появлению новых поколений мощных квантовых процессоров.
В октябре 2023 года калифорнийский квантовый стартап Atom Computing также объявил, что создал первый в мире квантовый компьютер с более чем 1000 кубитами (1180, если быть точными). Это было значительным шагом вперед по сравнению с предыдущим рекордом (у IBM Osprey было 433 кубита), прежде чем IBM объявила о выпуске Condor.
Кроме этого, IBM выпустила обновленную версию своей «дорожной карты» квантового развития, рассчитанную до 2033 года, в которой изложено стратегическое и долгосрочное видение развития технологии квантовых вычислений. Центральное место в обновленной «дорожной карте» занимает разработка квантовых процессоров с увеличением количества кубитов и расширенными вычислительными возможностями.
В «дорожной карте» также подчеркивается важность разработки такой компьютерной архитектуры, которая позволит соединить квантовые и классические вычислительные ресурсы и использовать сильные стороны сразу обеих технологий.
В 2023 году исследователи из Google Quantum AI совершили важный прорыв в области квантовой коррекции ошибок. Команда показала, что уровень вычислительных ошибок можно снизить, увеличив количество квантовых битов (кубитов), используемых для квантовой коррекции ошибок. Этот результат является важным шагом на пути к созданию отказоустойчивых квантовых компьютеров.
Еще одно важное событие в мире квантовых вычислений произошло в прошлом августе, когда компания Google сообщила, что собирается принять меры по повышению безопасности Google Chrome и внедряет поддержку квантово-устойчивого шифрования для защиты от потенциальных квантовых кибератак. Современная киберзащита во многом строится на невозможности перебрать все варианты и подобрать какое-то большое число: это займет слишком много времени даже у компьютера. Но компьютера нынешнего. Квантовый компьютер за секунды справится с вычислениями, для которых сейчас требуются десятилетия.
Google также заявила, что готовится к переходу на квантово-устойчивую криптографию: принимает участие в обновлении технических стандартов, а также тестировании и внедрении новых квантово-устойчивых алгоритмов. Компания работает на упреждение — до широкого использования квантовых компьютеров среди хакеров, вероятно, еще много лет, но, если не принимать эти риски всерьез, велика вероятность, что появление квантовых компьютеров и квантовых кибератак поставит под угрозу само существование интернета.
IonQ
На Quantum World Congress компания анонсировала две новые системы — Forte Enterprise и Tempo, предназначенные для установки в стойку и развертывания в традиционном центре обработки данных. Развертывание квантовых компьютеров в центрах обработки данных — редкое явление.
Два стоечных решения IonQ предназначены для предприятий и правительств, желающих интегрировать квантовые возможности в существующую инфраструктуру. Компании смогут использовать мощь квантовых технологий непосредственно из своих собственных центров обработки данных, что сделает технологию значительно более доступной и простой в применении к ключевым рабочим процессам и бизнес-процессам.
Квантовые компьютеры сейчас не готовы к использованию в производственных средах: они по-прежнему слишком подвержены ошибкам, часто сложны в обслуживании и обычно количество кубитов недостаточно велико для практических приложений. Многие полагают, что потребуется десятилетие, чтобы создать отказоустойчивые машины довольно большого размера (от тысяч до миллионов кубитов), чтобы их можно было использовать в промышленных целях.
Современные квантовые исследования
Протокол запутывания микроволновых и оптических фотонов
В мае 2023 года Йоханнес Финк, профессор физики Института науки и технологий Австрии, и его коллеги продемонстрировали протокол запутывания микроволновых и оптических фотонов. Это важно, поскольку сверхпроводящие схемы, из которых состоят многие современные квантовые компьютеры, работают на микроволновых частотах, а оптоволокно и другое оборудование, используемое для передачи информации на большие расстояния, — на оптических. Если мы хотим построить сеть из множества квантовых компьютеров и заставить их общаться друг с другом, нам понадобятся прочные и надежные квантовые соединения между этими двумя частотами.
Теперь, когда Финк и его команда показали, что такие соединения возможны, перспективы квантовых сетей на основе сверхпроводящих кубитов выглядят более радужными, хотя протокол все еще нуждается в доработке.
Первый программируемый логический квантовый процессор
Команда из Гарварда под руководством профессора физики Михаила Лукина создала первый программируемый логический квантовый процессор, способный кодировать до 48 логических кубитов и выполнять сотни вычислительных операций.
В квантовых вычислениях квантовый бит, или кубит, — это одна единица информации, точно так же, как двоичный бит в классических вычислениях. На протяжении более двух десятилетий физики и инженеры показывали миру, что квантовые вычисления в принципе возможны путем манипулирования квантовыми частицами — будь то атомы, ионы или фотоны — для создания физических кубитов.
Но успешно использовать странности квантовой механики для вычислений сложнее, чем просто накопить достаточно большое количество кубитов, которые по своей природе нестабильны и склонны выходить из своих квантовых состояний.
По-настоящему важны так называемые логические кубиты, которые могут хранить информацию для использования в квантовом алгоритме. Физический кубит — это то, что реально существует в мире, например электрон или атом. Логический кубит — это идея, которую используют для объяснения того, как работают квантовые компьютеры. Он не существует в реальности, это просто способ говорить о том, как физические кубиты работают вместе. И основная сложность в том, чтобы создать надежный способ объединения физических кубитов для их совместной работы. Создание логических кубитов было фундаментальным препятствием для этой области, и общепринято, что до тех пор, пока квантовые компьютеры не смогут надежно работать на логических кубитах, технология не сможет по-настоящему развиваться.
Быстрая и надежная передача информации между квантовыми чипами
Одна из проблем, с которой сейчас сталкиваются исследователи, — быстрая и надежная передача квантовой информации между чипами. Однако команда Университета Сассекса добилась прорыва в этой области. Их исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, демонстрирует систему, способную передавать информацию между чипами с беспрецедентной надежностью 99,999993% и с рекордной скоростью. Этот прорыв подтверждает, что возможно соединить чипы для создания более мощных квантовых компьютеров.
Главные вызовы квантовых вычислений
Проблема 1: квантовая декогеренция
Квантовая декогеренция — фундаментальная проблема квантовых вычислений.
Квантовые вычисления измеряют обработку информации с помощью метрики, называемой квантовым битом, или кубитом. Кубит может существовать в суперпозиции состояний, в отличие от классических битов, которые могут находиться только в одном из двух состояний (0 или 1). Эта суперпозиция позволяет квантовым компьютерам выполнять сложные вычисления быстрее, чем классические компьютеры.
Поддерживать состояние когерентности, ту самую суперпозицию, так же сложно, как заставить карандаш балансировать на острие. В идеале при отсутствии ветра и вибрации идеально сбалансированный карандаш должен оставаться в вертикальном положении. Это похоже на кубит в квантовом состоянии. Однако в реальном мире любой порыв ветра или малейшая вибрация могут привести к падению карандаша. Это похоже на квантовую декогерентность: малейшее возмущение окружающей среды может привести к потере кубитом своего хрупкого состояния суперпозиции.
Декогеренция проблематична, поскольку приводит к ошибкам квантовых вычислений. Поскольку время когерентности кубита относительно короткое, квантовые вычисления должны быть завершены в течение этого периода времени, прежде чем произойдет декогеренция.
Увеличение времени когерентности кубитов — важная область исследований, но это лишь один из компонентов преодоления квантовой декогеренции в целом. Исследования сверхпроводящих кубитов могут привести к созданию квантовых технологий, которые лучше контролируют и улучшают квантовую когерентность.
Исследователи также рассматривают возможность использования различных материалов и конструкций для кубитов с более длительным временем когерентности. Параллельно развиваются подходы, направленные на обнаружение и исправление ошибок, вызванных декогеренцией, до того, как они смогут повлиять на вычисления.
Однако исправление ошибок само по себе представляет собой проблему.
Проблема 2: квантовая коррекция ошибки
Квантовая коррекция ошибки (QEC) — очень важное направление развития квантовых вычислений. Точность квантовых вычислений должна быть порядка 99,9999999999999% — тогда можно гарантировать корректность вычислений. Но сегодня точность плавает в диапазоне от 90 до 99% — с такими низкими параметрами процент ошибок будет высоким, и с этим нужно что-то делать.
Вообще, ошибки в квантовых системах могут возникать по разным причинам. Например, из-за взаимодействия с окружающей средой, дефектов в оборудовании или несовершенства используемых алгоритмов. Эти ошибки могут привести к искажению или потере информации. Для борьбы с ошибками используются различные методы квантовой коррекции ошибок, которые повышают надежность квантовых систем.
Хотя исследования в этой области ведутся давно и существуют алгоритмы квантовой коррекции ошибок — например, алгоритм Шора (опубликованный в 1995 году) и код Стина (1996 год), — достичь стабильной точности вычислений на уровне 99,9999999999999% еще только предстоит.
Проблема 3: масштабируемость
По мере увеличения количества кубитов в квантовом компьютере растет и его вычислительная мощность. Но масштабировать квантовые компьютеры сложно — не получится просто добавить на чип больше транзисторов, как в случае с классическим компьютерным чипом.
В квантовом компьютере каждый кубит должен взаимодействовать с каждым другим кубитом, чтобы максимизировать вычислительную мощность. По мере увеличения количества кубитов становится все сложнее это сделать — увеличивается вероятность ошибок. Ошибки могут быть вызваны чем угодно — от воздействия окружающей среды до несовершенства самих кубитов.
Исследования новых типов кубитов могут привести к созданию квантовых компьютеров, которые будут более устойчивы к ошибкам, что позволит создавать все более сложные квантовые процессоры.