В последние годы сфера квантовых вычислений переживает бурный рост, а технологические достижения и масштабные инвестиции регулярно становятся темой новостей.
Ставки высоки – наличие квантовых компьютеров означало бы доступ к колоссальной мощности обработки данных по сравнению с тем, что у нас есть сегодня. Они не заменят ваш обычный компьютер, но наличие такой потрясающей вычислительной мощности обеспечит прогресс в медицине, химии, материаловедении и других областях.
Поэтому неудивительно, что квантовые вычисления быстро становятся глобальной гонкой, и частная промышленность и правительства по всему миру спешат построить первый в мире полномасштабный квантовый компьютер. Чтобы достичь этого, сначала нам нужны стабильные и масштабируемые квантовые процессоры, или чипы.
Что такое квантовый чип?
Обычные компьютеры – как ваш ноутбук – это классические компьютеры. Они хранят и обрабатывают информацию в виде двоичных чисел или битов. Один бит может представлять либо 0, либо 1.
Напротив, базовая единица квантового чипа — кубит. Квантовый чип состоит из множества кубитов. Обычно это субатомные частицы, такие как электроны или фотоны, контролируемые и управляемые специально разработанными электрическими и магнитными полями (известными как управляющие сигналы).
В отличие от бита, кубит может быть помещен в состояние 0, 1 или комбинацию обоих, также известное как «состояние суперпозиции». Это особое свойство позволяет квантовым процессорам хранить и обрабатывать чрезвычайно большие наборы данных экспоненциально быстрее, чем даже самый мощный классический компьютер.
Существуют различные способы создания кубитов – можно использовать сверхпроводящие устройства, полупроводники, фотонику (свет) или другие подходы. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки.
Такие компании, как IBM , Google и QueRa, планируют радикально расширить масштабы квантовых процессоров к 2030 году.
Игроки отрасли, использующие полупроводники, — это Intel и австралийские компании, такие как Diraq и SQC . Ключевые разработчики фотонных квантовых компьютеров — PsiQuantum и Xanadu .
Кубиты: качество против количества
Количество кубитов в квантовом чипе на самом деле менее важно, чем качество кубитов.
Квантовый чип, состоящий из тысяч низкокачественных кубитов, не сможет выполнить ни одной полезной вычислительной задачи.
Итак, что же делает кубит качественным?
Кубиты очень чувствительны к нежелательным помехам, также известным как ошибки или шум. Этот шум может исходить из многих источников, включая несовершенства в процессе производства, проблемы с управляющим сигналом, изменения температуры или даже просто взаимодействие с окружающей средой кубита.
Склонность к ошибкам снижает надежность кубита, известную как точность. Чтобы квантовый чип оставался стабильным достаточно долго для выполнения сложных вычислительных задач, ему нужны кубиты высокой точности.
Когда исследователи сравнивают производительность различных квантовых чипов, точность кубитов является одним из важнейших параметров, которые они используют.
Как исправить ошибки?
К счастью, нам не нужно создавать идеальные кубиты.
За последние 30 лет исследователи разработали теоретические методы, которые используют множество несовершенных или низкоточных кубитов для кодирования абстрактного «логического кубита». Логический кубит защищен от ошибок и, следовательно, имеет очень высокую точность. Полезный квантовый процессор будет основан на множестве логических кубитов.
Почти все основные разработчики квантовых чипов теперь применяют эти теории на практике, переключая свое внимание с кубитов на логические кубиты.
Квантовые чипы, состоящие из более чем 100 кубитов, уже доступны. Они используются многими исследователями по всему миру для оценки того, насколько хороши квантовые компьютеры текущего поколения и как их можно улучшить в будущих поколениях.
На данный момент разработчики создали только одиночные логические кубиты. Вероятно, потребуется несколько лет, чтобы понять, как объединить несколько логических кубитов в квантовый чип, который сможет работать согласованно и решать сложные реальные проблемы.
Для чего будут полезны квантовые компьютеры?
Полностью функциональный квантовый процессор сможет решать чрезвычайно сложные задачи. Это может привести к революционному влиянию во многих областях исследований , технологий и экономики.
Квантовые компьютеры могут помочь нам открыть новые лекарства и продвинуть медицинские исследования, обнаруживая новые связи в данных клинических испытаний или генетики, для которых у современных компьютеров недостаточно вычислительной мощности.
Они также могут значительно повысить безопасность различных систем, использующих алгоритмы искусственного интеллекта , таких как банковское дело, военное наведение и автономные транспортные средства, и это лишь некоторые из них.
Чтобы добиться всего этого, нам сначала необходимо достичь рубежа, известного как квантовое превосходство, — когда квантовый процессор решает задачу, на решение которой классическому компьютеру потребовалось бы непрактичное количество времени.
В конце прошлого года квантовый чип Willow от Google наконец продемонстрировал квантовое превосходство в надуманой задаче — вычислительной задаче, которая была разработана так, чтобы быть сложной для классических суперкомпьютеров, но простой для квантовых процессоров из-за их особого способа работы.
Хотя это не решило полезную реальную проблему, это все равно замечательное достижение и важный шаг в правильном направлении, на который ушли годы исследований и разработок. В конце концов, чтобы бегать, нужно сначала научиться ходить.
Что нас ждет далее?
В ближайшие несколько лет квантовые чипы продолжат масштабироваться. Важно отметить, что следующее поколение квантовых процессоров будет опираться на логические кубиты, способные решать все более полезные задачи.
В то время как квантовое оборудование (то есть процессоры) развивается быстрыми темпами, мы также не можем игнорировать огромный объем исследований и разработок в области квантового программного обеспечения и алгоритмов.
Используя квантовые симуляции на обычных компьютерах, исследователи разрабатывают и тестируют различные квантовые алгоритмы. Это сделает квантовые вычисления готовыми к полезным приложениям, когда квантовое оборудование догонит их.
Создание полномасштабного квантового компьютера — сложная задача. Это потребует одновременных достижений на многих фронтах, таких как масштабирование числа кубитов на чипе, повышение точности кубитов, улучшение коррекции ошибок, квантовое программное обеспечение, квантовые алгоритмы и несколько других подобластей квантовых вычислений.
В последние годы сфера квантовых вычислений переживает бурный рост, а технологические достижения и масштабные инвестиции регулярно становятся темой новостей.