Золотой век квантовых компьютеров близок, но есть проблемы

Квантовые компьютеры — сложная штука. Однако недавно ученые IBM объявили, что сделали шаг вперед и решили одну из крупнейших проблем: разработали лучший способ определения и исправления раздражающих ошибок. В своем блоге Марк Риттер, следящий за инженерами и учеными в T.J. Watson Research Laboratory при IBM, написал: «Я думаю, мы входим в золотой век квантовых вычислений». Его команда, сказал он, «находится на передовой попыток создать первый настоящий квантовый компьютер».

Итак, что бы это значило? Квантовый компьютер использует науку крайне малого — странного поведения субатомных частиц, — чтобы решить проблемы, которые вычислительно неподвластны классическим компьютерам или заняли бы слишком много времени. К примеру, взаимодействие молекул на квантовом уровне сложно изучать в лаборатории и невозможно смоделировать на классическом компьютере, но вот на квантовом — вполне.

«Эта квантовая модель обладает потенциалом для разработки лекарств, их поиска, химического дизайна и, возможно, биофармацевтических применений», — говорит Джерри Чоу, менеджер группы Experimental Quantum Computing при IBM. Квантовый компьютер также может взломать наиболее сложное шифрование, которое используется на сегодняшний лень. По этой причине АНБ инвестирует в исследование квантовых вычислений.

С 1990-х годов квантовые компьютеры существовали в своего рода квантовом состоянии, одновременно в высоко теоретическом поле физики и математики и в качестве иногда прогрессирующей сложной инженерной задачи. Академические исследования велись по всему миру, правительства и компании вроде Google, Microsoft и Lockheed Martin вели разработку базовых строительных блоков квантовых компьютеров уже некоторое время. Канадская компания D-Wave заявила, что создала один, но многие исследователи, включая тех, что и IBM, весьма скептично настроены относительно «квантовости» этого компьютера.

Что же такое «квантовый»?

Классический бинарный бит всегда находится в одном из двух состояний — 0 или 1 — тогда как квантовый бит, или кубит, существует в обоих возможных состояниях одновременно, в состоянии так называемой суперпозиции. Операция на кубите, таким образом, использует его странное квантовое свойство, позволяющее проводить множество вычислений параллельно. Система из двух кубитов будет выполнять операцию на 4 значениях, система из трех кубитов — на 8 и так далее.

Вместо того чтобы выполнять каждое вычисление в свою очередь, как это делает классический компьютер, последовательность кубитов квантового компьютера может быть в каждой возможной комбинации единиц и нулей одновременно. Это позволяет компьютеры проверять каждое возможное решение одновременно и проводить определенные сложные вычисления экспоненциально быстрее, чем может классический компьютер.

Но тут есть подвох. Одна любопытная особенность кубита состоит в том, что его измерение приводит к «коллапсу» до одного известного классического состояния — 0 или 1 — и потери его квантовых свойств. Квантовое вычисление заканчивается измерением всей последовательности кубитов, приводящим к решению.

Многие квантовые алгоритмы недетерминированы; они находят множество разных решений параллельно, измерить из которых можно только одно, поэтому предоставляют правильное решение с определенной степенью вероятности. Многочисленный запуск вычислений увеличивает шансы на поиск правильного ответа, но снижает скорость выполнения квантовых расчетов.

Большинство исследователей сходятся во мнении, что на пути к построению практического квантового компьютера остается много проблем. В статье, опубликованной в Nature, группа Чоу описала своей прогресс в решении одной из таких проблем путем разработки способа обнаружения ошибок на решетке сверхпроводящих квантовых битов, два на два.

Если в исходных данных, хранящихся в любом компьютере, будут ошибки, результаты расчетов будут неправильными. Ошибки редко встречаются в транзисторах, используемых для сборки классических компьютеров, а если встречаются, то автоматически правятся различными схемами коррекции ошибок.

С квантовыми компьютерами история другая. «Кубиты крайне чувствительны к ошибкам, — говорит Чоу. — Их можно повредить теплом. Они могут пострадать из-за шума окружающей срежы. Их могут затронуть бродячие электромагнитные волны».

В информации, хранимой в классическом компьютере, может произойти ошибка только одного типа, бит-флип, когда 0 ошибочно переворачивается в 1 или наоборот. Кубиты тоже страдают от перевернутых битов, также и от фазовых ошибок. Состояние суперпозиции кубита, или когда он принимает значения 0 и 1 одновременно, обозначается как 0 + 1. Фазовая ошибка переворачивает знаковое отношения между 0 и 1.

Квантовый чип

«0 + 1 и 0 — 1 очень разные с точки зрения информации, которая находится в этом состоянии, — объясняет Чоу. — Мы может представить это как стрелку, указывающую вдоль сферы. Вы можете указать в направлении южного полюса, и это будет ноль. Вы также можете указать в направлении северного полюса, и это будет один. Вы можете указать вдоль экватора, и это будет 0 + 1, но если вы укажете в противоположном направлении, это будет 0 — 1». Если этого мало, схемы квантовой коррекции ошибок должны избегать измерения данных напрямую, поскольку это приведет к коллапсу значений.

Новая схема обнаружения ошибок IBM основана на технике под названием поверхностный код, который распространяет квантовую информацию многие кубитами. Два синдромных (или измерительных) кубита споряжены с двумя кодовыми, или кубитами данных. Один синдромный кубит выявляет, где в кубитах кода произошла ошибка бит-флипа, тогда как другой кубит синдрома отмечает случай, где произошла ошибка перемены знака, фазового флипа, и все это без прямого измерения кубитов.

Но коррекция ошибок — только одно из препятствий на тернистом пути создания практического квантового компьютера.

Чем дальше в кванты, тем больше проблем

Один проефссор опубликовал длинный список этих препятствий на Quora. В том числе — сложность когеренции. Общим показателем качества кубита является время когерентности, или как долго он сохраняет свои квантовые свойства. Надежный и полнофункциональный квантовый компьютер должен иметь долгое когерентное время. Но это будет еще не скоро. В 2014 году ученые из Университета Нового Южного Уэльса сообщили об установлении нового рекорда, когда создали два новых типа кубитов, которые были в состоянии сохранять свое квантовое состояние полных 35 секунд.

«Чтобы квантовая коррекция ошибок работала, вам нужно, чтобы отдельные кубиты были выше определенного уровня качества, — говорит Чоу. — Для того чтобы эти отдельные кубиты становились лучше и лучше, нужно многое проделать с точки зрения материалов, как мы выкладываем все это в наши устройства и как построить из них реальный процессор».

В отличие от классических компьютеров, в квантовой версии нет стандартных материалов или архитектуры. Кубиты в настоящее время создаются различным способом в ионных ловушках (заряженных атомных частица) и эленов в кремнии сверхпроводящих контуров, используемых группой Чоу.

Для достижения длительного времени когерентности кубиты должны быть изолированы от внешнего мира, зачастую при минусовых температурах. Изоляция затрудняет эффективное управление компьютеров, так как это неизбежно предполагает контакт с внешним миром. Достижение контроля и когерентности дорого стоит.

Для создания этих долгоживущих кубитов австралийские ученые манипулировали одним атомом фосфора, погребенным в кристалле кремния, используя высокочастотные колебательные генераторы магнитного поля стоимостью 100 000 долларов и простой электрический импульс, чтобы изменить частоту электронов атома. «Таким образом, мы смогли выборочно определять, каким кубитом управлять, — объяснял Андреа Морелло, один из ученых. — Это немного похоже на выбор радиостанции, когда поворачиваешь простую ручку настройки. Здесь «ручка» — это напряжение, приложенное к небольшому электроду над атомом».

Квантовые компьютеры

С тех пор дизайн был обновлен для управления несколькими кубитами, а в прошлом месяце лаборатория сообщила о новом прогрессе в производстве кристаллов кремния с использованием только одного тонкого слоя специально очищенного кремния. Это достижение может существенно сократить время и стоимость разработки аппаратных средств.

Как бы то ни было, до сих пор никто не сумел выполнить больше, чем несколько квантовых логических операций на горстке кубитов, прежде чем пробьет время когерентности. Чем больше кубитов связано, тем выше вероятность того, что квантовый компьютер начнет вести себя как классический. Но сложные проблемы могут быть решены только с большим числом кубитов.

«Чтобы построить квантовый чип, который будет похож на современные процессоры, — говорит Чоу, — потребуется много инженерии и понимания разных материалов и их поведения в квантовом мире».

Другая проблема в том, что набор проблем, которые может решить квантовый алгоритм быстрее, чем классический, однажды может быть ограничен. Поскольку многие квантовые алгоритмы недетерминированы, вам нужен определенный способ верификации верности полученного ответа. При расчете коэффициентов в простых числах, результат легко проверить. Но многие проблемы имеют решения, которые не так просто верифицировать.

Даже если решение подвергается проверке, вам, возможно, потребуется запустить один и тот же расчет несколько раз, чтобы достичь правильного решения, тем самым отказавшись от преимущества в скорости. Ученые в Вене пытаются решить эту проблему путем введения коротких промежуточных вычислений, ответы которых известны, в расчеты. Это даст пользователю меру надежности машины. Другие квантовые алгоритмы используют явление интерференции, чтобы увеличить вероятность того, что один прокат даст правильный ответ.

Чоу оптимистично смотрит на грядущие препятствия, а также на проблему создания святого Грааля «логического кубита», который строится с использованием физических кубитов, но который не теряет свою информацию и работает безошибочно. «Многие из этих проблем будут решены в ближайшие несколько лет и это поможет нам попасть туда, где мы сможем продемонстрировать кодирование логического кубита. Затем мы сделаем еще один шаг в сторону истинных квантовых алгоритмов поверх этого логического слоя».

И тогда все компьютеры, которые мы используем — для науки, шифрования, поиска по данным, развлекух в Интернете, — приблизят нас к квантовому скачку.