Квантовые компьютеры могут появиться в 2017 году

Квантовые вычисления в течение долгого времени казались несбыточной технологией, которую, возможно, удастся реализовать лет через двадцать. Но 2017 год может стать годом, когда самые смелые идеи ученых будут претворены в жизнь. 

Компьютерные гиганты Google и Microsoft недавно наняли множество выдающихся ученых и поставили перед ними сложные задачи на этот год. Амбициозные планы компаний заключаются в том, чтобы, наконец, перейти от теории к практике.

В 2014 году Google начал работу над устройством для квантовых вычислений, которое использует сверхпроводимость. Учёные надеются, что в этом году или несколько позже им удастся выполнить вычисления, которые не под силу самым мощным «классическим» суперкомпьютерам. Их конкурент – компания Microsoft – делает ставку на интригующую, но недоказанную пока концепцию топологических квантовых вычислений и надеется первым представить её общественности.

Стартапы, занимающиеся квантовыми вычислениями, также участвуют в гонке. Физик Роберт Шоэлкопф из Йельского университета (Нью-Хейвен, Коннектикут), сооснователь стартапа Quantum Circuits, а также бывший физик IBM Чад Ригетти (Беркли, Калифорния) рассчитывают на совершение прорыва в ближайшее время.

В академических лабораториях придерживаются такого же мнения. Роберт Шоэлкопф, руководящий группой, которая занимается постройкой квантового компьютера в Йеле, говорит, что они проверили все компоненты и функции. Он и многие другие учёные сходятся во мнении, что, хотя нужно провести ещё много физических экспериментов, основные трудности теперь заключаются в инженерии. Квантовый компьютер с наибольшим количеством кубитов (20 кубитов на сегодняшний день) сейчас тестируется в университете Инсбрука в Австрии под руководством Рейнера Блата.

В то время как обычные компьютеры кодируют информацию посредством битов, которые могут находиться в двух состояниях – ноль или единица – «кубиты», с помощью которых работают квантовые компьютеры, могут быть в «суперпозиции» двух состояний сразу. Это, а также способность кубитов находиться в квантовом состоянии, которое называется спутанность, даст возможность компьютерам выполнять множество вычислений одновременно. И, в принципе, количество таких вычислений может удваиваться для каждого дополнительного кубита, приводя, таким образом, к экспоненциальному повышению производительности.

Эта скорость может позволить квантовым компьютерам выполнять такие определённые операции, как поиск в огромных базах данных или факторизация больших чисел, которые были бы невозможны для более медленных обычных компьютеров. Квантовые компьютеры также могли бы использоваться в качестве инструмента исследования: химики получили бы возможность моделировать химические реакции, а физики – разрабатывать сверхпроводимые материалы.

Существует множество мнений по поводу того, как строить кубиты. Среди них выделяются два подхода, которые продемонстрировали способность хранить информацию в течение долгого времени вопреки уязвимости квантовых состояний от внешних воздействий. Первый подход, разрабатываемый Шоэлкопфом и принятый компаниями Google, IBM, Rigetti и Quantum Circuits, заключается в кодировании квантовых состояний как колебательных токов в сверхпроводящих петлях. Второй подход, разрабатываемый IonQ и несколькими крупными академическими лабораториями, заключается в кодировании кубитов в одиночные ионы, удерживаемые электрическим и магнитным полями в вакуумных ловушках.

Учёный Джон Мартинис, который работал в Калифорнийском университете до того, как Google нанял его и его исследовательскую группу в 2014 году, говорит, что более подробные знания о технологии сверхпроводимости подсказали его команде смелую идею о квантовом превосходстве.
Команда учёных планирует достичь его при помощи хаотичного квантового алгоритма, который создаёт то, что кажется случайными выходными данными. Если алгоритм выполняется на квантовом компьютере из относительно небольшого числа кубитов, обычный компьютер может предсказать получаемый результат. Но как только квантовая машина приближается к использованию пятидесяти кубитов, даже самые крупные классические суперкомпьютеры будут не в состоянии поспевать за ним.

Результаты вычислений не будут иметь практического применения, но они продемонстрируют то, что существуют задачи, с которыми под силу справиться только квантовым компьютерам, а это привлечет внимание потенциальных клиентов.«Мы думаем, что это будет плодотворный эксперимент», — заявляет Мартинис.

Но Роберт Шоэлкопф не считает идею квантового превосходства чем-то интересным или пригодным. Отчасти это связано с тем, что возникает проблема исправления ошибок: способность системы восстанавливать информацию ухудшается с увеличением числа кубитов. Вместо этого, стартап Quantum Circuits сконцентрирован на том, чтобы с самого начала создавать машины, не требующие исправления ошибок.

Кристофер Монро надеется достигнуть квантового превосходства в ближайшем времени, но это не главная цель IonQ. По его словам, идея стартапа заключается в постройке машин, у которых будет 32 или даже 64 кубита, и технология ионной ловушки позволят их конструкции быть более гибкой, чем сверхпроводящие схемы.

Microsoft тем временем делает ставку на другую технологию. Топологические квантовые вычисления зависят от вещества, которое кодирует информацию путём запутывания словно косами. Информация, хранящаяся в этих кубитах, будет более устойчива к внешним воздействиям, а также упростит коррекцию ошибок.

Пока никому не удалось добиться создания таких структур. Но Microsoft привлёк четырех ведущих учёных, включая Лео Кувенховена из университета Делфта в Нидерландах.
«Я говорю своим студентам, что 2017 – это год плетения кос», — сказал Кувенховен, занимающийся строительством лаборатории Microsoft в Делфте.

Другие учёные более осторожны в своих прогнозах. «Я не делаю сообщений для прессы по поводу будущего», — говорит Рейнер Блат. Физик из Национального института Стандартов и Технологии (Боулдер, Колорадо) Дэвид Вайнленд, который возглавляет работу над ионными ловушками, также не хочет давать какие-либо прогнозов. «Я оптимистичен в долгосрочной перспективе, но насколько долгосрочной она окажется, я не знаю», — говорит ученый.