Две революции и ожидание третьей
Главная единица обработки информации в квантовом компьютере — кубит, который является квантовым аналогом бита — суперпозицией нулей и единиц. Число состояний, доступных в квантовом регистре, — 2 в степени n, где n выступает количеством кубитов. Устройство на 50 кубитах обладает мощностью классического суперкомпьютера, а вот 280 кубитов дают больше ячеек памяти, чем атомов во Вселенной.
Первая квантовая революция произошла довольно-таки давно: на квантовой физике работают хорошо известные нам транзисторы и лазеры. При этом там используются коллективные квантовые эффекты, которые затрагивают большое количество квантовых частиц. Второй квантовой революцией принято считать переход к управлению отдельными степенями свободы квантовых систем, а также отдельными квантовыми объектами. Речь идет о фотонах, атомах и молекулах. Это открывает новые возможности перед учеными.
Индивидуальные квантовые системы отличаются от того, к чему люди привыкли в макромире. Так называемая «квантовая монетка» может находиться в состоянии суперпозиции, то есть она одновременно выпадает, как орлом, так и решкой, причем в произвольных пропорциях, которые можно контролировать.
Кроме того, квантовые вычисления позволяют обойти закон Мура. Квантовая коммуникация защитит передачу информации. Квантовые сенсоры зарегистрируют малейшее изменение электромагнитных полей и температуры.
Фундаментальный вопрос заключается в том, что станет квантовым аналогом кремниевого транзистора. Надо найти физическую систему с большим количеством квантовых объектов и высоким уровнем контроля над ними.
Борьба за пьедестал
Квантовое превосходство — это возможность быстро решить задачу, которая требует у классического компьютера большого количества времени. В современном мире на этом поприще развернулась ожесточенная битва. Причем воют настоящие титаны.
Два года назад группа физика Джона Мартиниса из всемирно известной компании Google заявила, что пришла к финишу первой. Ученые отметили, что их процессор Sycamore на 53-х кубитах за 200 секунд смог решить задачу, которую мощнейший на тот момент суперкомпьютер Summit, способный выполнять 200 квадриллионов операций в секунду, решал бы 10 000 лет. Речь тогда шла о моделировании случайных квантовых цепочек. Статья была опубликована в научном журнале Nature. Однако сотрудники IBM тут же раскритиковали эту работу: по их словам, с помощью другого алгоритма Summit справится с поставленной задачей за несколько дней. При этом ни те, ни другие не проводили классические вычисления в полном объеме. Внести ясность в вопрос смогли ученые из Института теоретической физики Китайской академии наук. В марте 2021 года они предложили новый алгоритм и решили ту же задачу на вычислительном кластере из 60 графических процессоров NVIDIA Tesla V100 с 32 гигабайтами памяти. Расчеты заняли 5 дней, а их точность сильно превысила ту, которой добился суперкомпьютер Sycamore.
В прошлом году о квантовом превосходстве заявила группа физиков под руководством Цзянь-Вэй Пана из Научно-технического университета в Шанхае. Их фотонный процессор Jiuzhang за 200 секунд смог решить задачу бозонного сэмплинга, на которую суперкомпьютерам, по расчетам специалистов, потребовались бы миллиарды лет. Статью опубликовали в журнале Science.
Не так давно группа Цзянь-Вэй Пана отчиталась о своих двух новинках: Jiuzhang 2.0, по их словам, действует в 10 миллиардов раз быстрее предшественника, а с помощью сверхпроводникового квантового процессора Zuchongzhi на 66 кубитах исследователи получили за час с небольшим результат, на который самый мощный суперкомпьютер потратил бы 8 лет.
В ноябре IBM объявила, что установила новый рекорд. Речь идет о квантовом процессоре Eagle на 127 сверхпроводниковых кубитах. При этом данному устройству еще лишь предстоит показать себя в деле. В следующем году компания хочет выпустить квантовые чипы Osprey с 433 кубитами, а в 2024-м — Condor с 1121 кубитом.
Следующий уровень
Эпоха мелкомасштабных квантовых компьютеров — осталась позади. Сейчас устройства широко применяются в образовательных и научных целях.
Теперь наступил этап так называемых шумных квантовых процессоров среднего масштаба. Шумные — так как системы до сих пор работают неустойчиво из-за внешних помех. Квантовое превосходство показывают на абстрактных задачах с ограниченной практической ценностью. Здесь пока что много открытых вопросов — как научных, так и инженерных.
Следующий уровень — квантовые компьютеры с коррекцией ошибок. У многих может возникнуть вопрос: увидим ли мы когда-нибудь квантовые ноутбуки и смартфоны? Сейчас делать какие-то прогнозы сложно. Вероятнее всего, квантовые компьютеры станут нишевым приложением для определенного класса математических задач. Однако тяжело предугадать на старте экспоненты, куда будет двигаться мир.
Между тем, самыми надежными системами шифрования считаются квантовые. Однако они помимо своей надежности еще и очень дорого стоят. Специалисты из Университета ИТМО в Санкт-Петербурге разработали систему КРК с компактным детектором когерентного излучения. Это должно помочь решить проблему дороговизны квантового шифрования.
