Лаборатории готовы выпустить образцы квантовых компьютеров в 2017 году.

Google, Microsoft и сеть лабораторий и инициативных групп находятся на пути включения достижений науки в работающие машины. Квантовые вычисления на протяжении последних 20 лет являлись одной из тех технологий, которые до сих пор представляют особый интерес. Но 2017 год может стать годом, когда исследования могут перейти в практическую плоскость. Компьютерные гиганты Google и Microsoft недавно наняли ряд научных организаций и поставили амбициозные задачи Quantum computer на этот год. Их амбиции намного шире, чем задачи обычных старт-ап идей и задач академических исследований: перейти от теоретических изысканий к разработке опытных образцов. «Люди действительно создают вещи,» - говорит Кристофер Монро, физик Университета Мэриленд в Коледж парке, который является соучредителем старт-ап проекта под названием IonQ в 2015 году. «Я никогда не видел ничего такого. Теперь это не только теоретическое исследование.» Google начал работу по разработке квантового компьютера, который использует сверхпроводимость, в 2014 году. Компания надеется в этом году, может чуть позже, выполнить вычисления, превосходящие самые мощные классические суперкомпьютеры, известные как квантовое превосходство. Его конкурент, Microsoft, делает ставку на распределенное квантовое вычисление и надеется подготовить первую демонстрацию этой технологии.

Набирает рост интерес к квантовым вычислениям и среди старт-ап проектов. Монро планирует всерьез заняться наймом организаций – старт апперов в этом году. Физик Роберт Шолькопф из Университета Ял в Нью-Хэвене, штат Коннектикут, который является соучредителем старт-ап проекта Квантовые сети и бывший прикладной физик - сотрудником компании IBM Чад Ригетти, который основал Ригетти в Беркли, штат Калифорния, сказали, что они надеяться достичь в скором времени положительных результатов.

Академические лаборатории находятся на том же уровне прогресса в этом вопросе. «Мы продемонстрировали все компоненты и функции, которые нам необходимы,» - говорит Шолькопф, который продолжает работы по созданию квантового компьютера в Яле.

По мнению Шолькопфа и других исследователей, хотя необходимо провести много физических экспериментов для обеспечения совместной работы компонентов, главной проблемой в настоящее время является их разработка. Квантовый компьютер с максимальным количеством кубитов – 20 – был протестирован в академической лаборатории, возглавляемой Рейнером Блаттом в университете Иннсбрука в Австрии.

В то время как классические компьютеры кодируют информацию в битах, принимающих значения «0» и «1», кубиты, являющиеся основой квантового компьютера, могут быть в суперпозиции обоих значений одновременно. Это в совокупности с возможностью кубитов передавать квантовое состояние, называемой запутанностью, может позволить компьютерам производить одновременно многочисленные вычисления. И количество этих вычислений может в принципе увеличиваться для каждого дополнительного кубита в экспоненциальной прогрессии.

Эта скорость может позволить квантовым компьютерам выполнять такие задачи, как поиск в больших базах данных или факторинг больших чисел, которые невыполнимы для более медленных классических компьютеров. Машины могут также применимы как объект для исследования, выполняя квантовые симуляции, которые позволят химикам понять химические реакции в мельчайших деталях, или физикам в проектировании материалов, которые проявляют свойства сверхпроводимости при комнатной температуре.

Существуют очень много предложений по построению кубитов. Но существует две лидирующие среди них позиции, подтверждающие способность кубитов хранить информацию долгое время, не смотря на уязвимость квантовых состояний к внешним воздействиям, и обеспечения операций квантовой логики. Первый подход, которому Шолькопф помогал и который компании Google, IBM, Rigetti и Квантовые сети приняли, включает кодирование квантовых состояний как переменный ток в сверхпроводимых петлях.

Второй, продвигаемый компанией IonQ и несколькими академическими лабораториями, предполагает кодирование кубитов в одиночных ионах, содержащихся в электрических и магнитных полях, в вакуумных ловушках.

Джон Мартинс, который работает в Университете Калифорнии, Санта Барбара, до того момента, как Google наняла его и его исследовательскую группу, сказал, что разработанность технологии сверхпроводимости заставляет его команду ставить значимые цели квантового превосходства.

Команда планирует достичь этой цели, используя «хаотический» квантовый алгоритм. Если алгоритм запущен на квантовом компьютере, построенном на относительно небольшом количестве кубитов, классические компьютеры могут предсказать их результат. Но если квантовый компьютер использует 50 кубитов, даже большие классические суперкомпьютеры не справятся с этой задачей.

Результаты вычислений не могут быть использованы, но они смогут продемонстрировать существование задач, где квантовые компьютеры не сравнимы. Это является важным психологическим порогом, который привлечет внимание потенциальных потребителей. «Мы думаем, что это будет оригинальный эксперимент,» - говорит Мартинс.

Но Шолькопф не рассматривает квантовую запутанность как «интересную и применимую цель», потому что такой подход избегает проблемы коррекции ошибок: способность системы восстановить информацию, вызванную неопределенностью состояний кубитов, которая становится более сложной при увеличении количества кубитов. Вместо этого, Квантовые сети сфокусировались на разработке системы с полной коррекцией ошибок. Такой подход требует разработки на большем количестве кубитов, но компьютеры смогут также функционировать по более сложным квантовым алгоритмам.

Монро в скором времени надеется достичь квантового превосходства, но это не является основной целью IonQ. Старт-ап нацелен на разработку компьютеров, имеющих 32 или 64 кубита, а технология «ловушки ионов» позволит выполнить разработку более гибко и масштабируемо, чем сверхпроводимые сети.

Microsoft между тем делает ставку на технологии, имеющей множество практических доказательств. Распределённые квантовые вычисления зависят от возбуждений вещества, которые кодируют информацию, запутываясь друг вокруг друга как шнурки. Информация, хранимая в этих кубитах, может быть более устойчива к внешним воздействиям, чем при применении других технологий, и, в особенности, легче осуществлять коррекцию ошибок.

Никто не умеет до сих пор управлять состоянием вещества для подобных возбуждений. Но Microsoft нанял четырех лидеров в области квантовых вычислений, включая Лео Ковенховена из университета Делфт в Нидерландах, который создал кажется правильный тип возбуждения. «Я рассказываю своим студентам, что 2017 год является годом запутанности, » - говорит Ковенховен, который в настоящее время будет строить лабораторию Microsoft в кампусе Делфт.

Другие исследователи более осторожны. «Я не делаю официальных заявлений о будущем,» - говорит Блатт Девид Вайнленд, физик Национального Института Стандартов и Технологий в Болдере, штат Колорадо, который возглавляет лабораторию, работающую над ионными ловушками, также не желает делать определенных заявлений. «Я являюсь оптимистом в долгосрочной перспективе, » - сказал он, «но, что такое «долгосрочная перспектива» - я не знаю».

Назад

Не менее интересно