Прошлое, настоящее и будущее квантовых компьютеров
Квантовый компьютер существует и уже работает. Однако технология вычислений продолжает совершенствоваться. Какими задачами занимаются разработчики сейчас, какие трудности встречаются на их пути, и какие квантовые технологии ждут нас в ближайшем будущем?
Об этом сайту «Науки» рассказал один из создателей самого мощного квантового компьютера в России Александр Борисенко — кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник группы «Прецизионные квантовые измерения» Российского квантового центра и научный сотрудник лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.
Квантовое прошлое: почему квантовый компьютер еще не стал массовым?
Создание квантового компьютера — это непрерывный процесс. Разработчики всегда хотят большего, чем есть сейчас. Мы совершенствуем технологию год от года. За последние пять лет много чего произошло. Постепенно увеличивается количество кубитов (Кубит — это основная единица информации в квантовых компьютерах, а подробнее об устройстве квантового компьютера и основных понятиях квантовой физики мы рассказали в статье «Что такое квантовый компьютер и как он работает?» — прим.Ред.).
Разработчики борются не только за количество кубитов, но и за их качество: нам важен так называемый квантовый объем. И в плане качества тоже заметен прогресс — произошел рост достоверности вычислений.
Что еще произошло? Состоялась демонстрация квантового преимущества. На некоторых синтетических задачах было показано, что квантовый компьютер имеет большую мощность, то есть он может решить какую-то задачу быстрее, чем классический компьютер. Это достаточно большой шаг, который был сделан.
Еще в 2019 году компания Google придумала такую синтетическую задачу, которая решается на их компьютере за несколько минут, а для классического компьютера нужны тысячи лет. Правда, через некоторое время вышли другие игроки и сказали: «Мы придумали алгоритм, который с помощью классического компьютера решает эту задачу быстрее». Можно сказать, что между программистами квантовых и классических компьютеров идет своеобразная борьба. Разработчики предлагают задачи, которые наиболее эффективно решаются для конкретной системы.
Эти состязания происходят постоянно. И если в какой-то год было показано, что задачу решили быстрее на квантовом компьютере, это еще не значит, что через пару лет не будет придуман классический алгоритм, который позволит быстро решить эту же задачу. То есть квантовое превосходство может оказаться временным.
Научное сообщество активно обсуждает понятия квантового преимущества и полезного квантового превосходства. Если первое уже было успешно продемонстрировано, то второе пока еще показано не было: необходимо, чтобы квантовый компьютер решал практически значимые задачи быстрее, чем классические системы.
Примечание:
Квантовое преимущество — решение практически полезной задачи с применением квантового компьютера быстрее, чем с применением только классического.
Квантовое превосходство — это ситуация, в которой вычислительная задача выполняется с применением квантового компьютера гораздо быстрее, чем с применением классического. Задача может быть узкоспециализированная и необязательно полезна на практике.
Главное достижение последних лет состоит в том, что были показаны логические кубиты на сверхпроводниках, ионах и нейтральных атомах. Это такой идеальный кубит, защищенный с помощью алгоритмов коррекции от внешних воздействий. Переход от физических кубитов к логическим — это довольно большой прорыв для квантовых вычислений.
Правда, этих идеальных кубитов пока крайне мало: единицы штук на всю систему. Один логический кубит можно сформировать из десятков или даже сотен обычных физических кубитов. А для решения полезных задач потребуется около тысячи или десятков тысяч логических кубитов.
Настоящее: над чем идет работа в квантовых лабораториях?
В данный момент перед разработчиками стоит задача увеличивать количество кубитов и уменьшать количество шумов в системе. Нужно, чтобы кубиты были бесшумные, то есть не было никакого внешнего возмущения, которое портит их качество.
Сами регистры из кубитов очень миниатюрные, сложные и хрупкие. С одной стороны, их нужно изолировать от внешнего взаимодействия, чтобы не было возмущений от внешних факторов: космических лучей, флуктуации магнитного поля, электрического поля. А с другой стороны, нужно уметь с ними взаимодействовать. Получается, перед нами стоят две противоречащие друг другу задачи, когда надо изолировать и в то же время уметь точечно и точно с ними взаимодействовать. Поэтому эти системы требуют детальной проработки.
И конечно, программистам хочется иметь много реальных логических кубитов, которые защищены от шума. Если их будет хотя бы тысяча, то можно будет, наконец, приступить к решению полезных практических задач с использованием текущих алгоритмов.
Радует то, что нет фундаментальных ограничений, которые говорят, что невозможно создать такие мощные машины, которые позволят решать практические задачи. Именно поэтому все так активно вкладываются в эти разработки. Кажется, что еще чуть-чуть и мы построим такие системы.
Кроме того, есть попутные бонусы: появляется хороший стимул для развития смежных областей. Например, во время исследований по квантовым вычислениям довольно бурно развиваются области, связанные с квантовой криптографией. Когда пошли разговоры о том, что через пять лет у нас будет квантовый компьютер, который сможет взломать классические системы шифрования, все стали вкладываться и развивать еще и шифрование. Уже используется либо квантовое шифрование, либо постквантовое шифрование, которое нельзя будет взломать с помощью созданных квантовых компьютеров.
Наше квантовое будущее: каким оно будет?
Квантовый компьютер будущего — это вопрос пяти-десяти ближайших лет.
Видится, что это будут облачные онлайн-системы: часть вычислений отсылается на сервер, а на сервере задача распределяется частично на классическую систему, частично — на квантовую. Задача не выполняется целиком на квантовом вычислителе, потому что у каждой из этих систем — классической и квантовой — есть свои сильные и слабые стороны, и логично разбивать задачи на подзадачи.
Скорее всего, в процессе вычислений будут участвовать большие вычислительные центры, где есть обычная и квантовая системы, и между ними идет распределение задач и ведется параллельное вычисление на обоих системах. А дальше результаты объединяются и приходят пользователю на классический компьютер или, например, на телефон.
Собственно, в России уже есть облачная платформа, которая имеет подключение к нескольким квантовым компьютерам. На них научные группы выполняют свои задачи, которые им интересны. Но это возможно лишь тогда, когда у нас, у ученых, есть время выделить для научных сотрудников из других институтов слот для вычислений.
Чтобы сделать эту платформу более широко используемой, нужно сделать много квантовых компьютеров. Это позволит одновременно модифицировать и изучать на одних системах, а на других системах выполнять вычисления в режиме 24/7. К этому мы стремимся.
Как я уже упоминал, особый интерес представляют логические кубиты, защищенные от шумов. Наша цель — создать около тысячи таких кубитов, чтобы справляться с практически значимыми задачами. Когда мы достигнем этой цели, то сможем решать реально полезные задачи с использованием таких технологий. Это все пока впереди.