Наскільки ми близькі до створення квантового комп'ютера?

Перегони в самому розпалі. Провідні компанії світу намагаються створити перший квантовий комп'ютер, в основі якого лежить технологія, давно обіцяє допомогти вченим у розробці чудових нових матеріалів, ідеальному шифрування даних і точному прогнозуванні змін клімату Землі. Така машина напевно з'явиться не раніше ніж через десять років, але це не зупиняє IBM, Microsoft, Google, Intel і інших. Вони буквально поштучно викладають квантові біти – або кубіти – на процесорному чіпі. Але шлях до квантових обчислень включає багато більше, ніж маніпуляції з субатомными частками.

Кубіт може представляти 0 і 1 одночасно, завдяки унікальному квантовим явища суперпозиції. Це дозволяє кубітами проводити величезну кількість обчислень одночасно, значно збільшуючи обчислювальну швидкість і ємність. Але існують різні типи кубіти, і не всі вони створюються однаковими. У програмованому кремниевом квантовому чіпі, наприклад, значення біта (1 або 0) визначається напрямком обертання електрона. Однак кубіти надзвичайно тендітні, і деяким потрібна температура в 20 милликельвинов – в 250 разів холодніше, ніж в глибокому космосі, – щоб залишатися стабільними.

Звичайно, квантовий комп'ютер – це не тільки процесор. Цим систем нового покоління будуть потрібні нові алгоритми, нове програмне забезпечення, з'єднання і купа ще не винайдених технологій бенефіціара з колосальною обчислювальної потужності. Крім того, результати обчислень потрібно буде десь зберігати.

«якби все не було так важко, ми вже зробили один», говорить Джим Кларк, директор з квантовим обладнання в Intel Labs. На виставці CES в цьому році Intel представила 49-кубитовый процесор під кодовою назвою Tangle Lake. Кілька років тому компанія створила віртуальну середовище для випробувань квантового; вона використовує потужний суперкомп'ютер Stampede (в Техаському університеті) для імітації 42-кубитового процесора. Однак, щоб насправді зрозуміти, як писати для квантових комп'ютерів, потрібно моделювати сотні або навіть тисячі кубітів, говорить Кларк.

Scientific American взяв у Кларка інтерв'ю, в якому той розповів про різні підходи до створення квантового комп'ютера, чому вони такі тендітні і чому вся ця затія займає так багато часу. Вам буде цікаво.

квантові обчислення відрізняються від традиційних?

Поширена метафора, яка використовується для порівняння двох видів обчислень, — це монетка. У традиційному комп'ютерному процесорі транзистор або «орел» або «решка». Але якщо запитати, якою стороною дивиться монетка, коли крутиться, ви скажете, що відповіддю може бути і те й інше. Так влаштовані квантові обчислення. Замість звичайних бітів, які представляють 0 або 1, у вас квантовий біт, який одночасно представляє і 0, і 1 до тих пір, поки кубіт не перестане обертатися і не ввійде у стан спокою.

Простір станів – або здатність перебирати величезне число можливих комбінацій – у випадку з квантовим комп'ютером експоненціально. Уявіть, що у мене в руці дві монети і я підкидаю їх в повітря одночасно. Поки вони обертаються, вони представляють чотири можливих стани. Якщо я підкину три монети в повітря, вони представлятимуть вісім можливих станів. Якщо я підкину в повітря п'ятдесят монет і запитаю у вас, скільки станів вони представляють, відповіддю буде число, яке не зможе розрахувати навіть найпотужніший суперкомп'ютер світу. Триста монет – все ще відносно невелике число – буде представляти більше станів, ніж атомів у Всесвіті.

Чому кубіти такі тендітні?

Реальність така, що монети, або кубіти, зрештою перестають обертатися і колапсують в певний стан, чи то орел або решка. Мета квантових обчислень полягає в тому, щоб підтримувати їх обертання в суперпозиції в множині станів тривалий час. Уявіть, що у мене на столі крутиться монетка і хтось штовхає стіл. Монетка може впасти швидше. Шум, зміна температури, електричні флуктуації або вібрація – все це може перешкодити роботі кубіта і призвести до втрати його даних. Один із способів стабілізувати кубіти певних типів – підтримувати їх у холодному стані. Наші кубіти працюють в холодильнику розміром з бочку на 55 галонів і використовують спеціальний ізотоп гелію для охолодження майже до температури абсолютного нуля.

Як різні типи кубітів різняться між собою?

Існує не менше шести або семи різних типів кубітів, і приблизно три-чотири з них активно розглядаються для використання в квантових комп'ютерах. Різниця в тому, як маніпулювати кубітами і змусити їх спілкуватися між собою. Потрібно, щоб два кубіта спілкувалися між собою, щоб проводити великі «заплутані» розрахунки, і різні типи кубітів заплутуються по-різному. Описаний тип, який вимагає надзвичайного охолодження, називається надпровідної системою, яка включає наш процесор Tangle Lake і квантові комп'ютери, побудовані Google, IBM та іншими. Інші підходи використовують осцилюючі заряди спійманих іонів – утримуваних на місці у вакуумній камері лазерними променями, які виступають в ролі кубітів. Intel не розробляє системи з спійманими іонами, тому що для цього потрібне глибоке знання лазерів і оптики, нам це не під силу.

Тим не менше ми вивчаємо третій тип, який називаємо кремнієвими спін-кубітами. Вони виглядають точнісінько як традиційні кремнієві транзистори, але оперують одним електроном.Спін-кубіти використовують мікрохвильові імпульси для контролю спина електрона і вивільнення його квантової сили. Ця технологія сьогодні менш зріла, ніж технологія надпровідних кубітів, однак, можливо, має набагато більше шансів масштабуватися і стати комерційно успішною.

Як дістатися до цього моменту звідси?

Перший крок – зробити ці квантові чіпи. У той же час ми провели моделювання на суперкомп'ютері. Щоб запустити квантовий симулятор Intel, потрібно близько п'яти трильйонів транзисторів для моделювання 42 кубітів. Для досягнення комерційної досяжності потрібно близько мільйона кубітів або більше, але, почавши з симулятора зразок цього, можна побудувати базову архітектуру, компілятори та алгоритми. Поки у нас не з'являться фізичні системи, які будуть включати від декількох сотень до тисячі кубітів, незрозуміло, якого роду програмне забезпечення, ми зможемо на них запускати. Є два способи збільшити розмір такої системи: один – додати більше кубітів, що зажадає більше фізичного простору. Проблема в тому, що якщо наша мета – створити комп'ютери на мільйон кубітів, математика не дозволить їх добре масштабувати. Інший шлях – стиснути внутрішні розмірності інтегральної схеми, але такий підхід потребує надпровідної системою, а вона повинна бути величезною. Спін-кубіти в мільйон разів менше, тому ми шукаємо інші рішення.

Крім цього, ми хочемо поліпшити якість кубітів, що допоможе нам протестувати алгоритми і створити нашу систему. Якість відноситься до точності, з якою інформація передається з часом. Хоча багато хто частини такої системи поліпшать якість, найбільші успіхи будуть досягнуті завдяки розробці нових матеріалів і поліпшенню точності мікрохвильових імпульсів та іншої керуючої електроніки.

Нещодавно Підкомітет з цифрової торгівлі та захисту прав споживачів США провів слухання про квантових обчисленнях. Що законодавці хочуть знати про цієї технології?

Є кілька слухань, пов'язаних з різними комітетами. Якщо взяти квантові обчислення, можна сказати, що це технології обчислень наступних 100 років. Для США та інших урядів цілком природно цікавитися їх можливістю. У Євросоюзу є план на багато мільярдів доларів на фінансування квантових досліджень по всій Європі. Китай минулої осені анонсував дослідну базу на 10 мільярдів доларів, яка займеться квантової інформатикою. Адже питання в чому: що ми можемо зробити як країна на національному рівні? Національна стратегія квантових обчислень має бути у віданні університетів, уряду та промисловості, які працюють спільно над різними аспектами технології. Стандарти безумовно необхідні з точки зору комунікацій або архітектури програмного забезпечення. Робоча сила також становить проблему. Зараз, якщо я відкриваю вакансію експерта з квантових обчислень, дві третини заявників, ймовірно, будуть не з США.

Який вплив можуть надати квантові обчислення на розробку штучного інтелекту?

Як правило, перші пропоновані квантові алгоритми будуть присвячені безпеки (наприклад, криптографічного) або хімії та моделювання матеріалів. Це проблеми, які принципово нерозв'язні для традиційних комп'ютерів. Тим не менш, є маса стартапів і груп вчених, що працюють над машинним навчанням та їв з впровадженням квантових комп'ютерів, навіть теоретичного. Враховуючи часові рамки, необхідні для розробки ШІ, я б очікував появи традиційних чіпів, спеціально оптимізованих під алгоритми ШІ, які, в свою чергу, впливають на розробку квантових чіпів. У будь-якому випадку ШІ безумовно отримає поштовх через квантових обчислень.

Коли ми побачимо, що робочі квантові комп'ютери вирішують реальні проблеми?

Перший транзистор був створений в 1947 році. Перша інтегральна схема – в 1958 році. Перший мікропроцесор Intel – який вміщував близько 2500 транзисторів – вийшов на світло тільки в 1971 році. Кожна з цих віх була розділена більш ніж десятиліттям. Люди думають, що квантові комп'ютери ось вже за рогом, але історія показує, що будь-які досягнення вимагають часу. Якщо через 10 років у нас буде квантовий комп'ютер на кілька тисяч кубітів, це, безумовно, змінить світ так само, як його змінив перший мікропроцесор.