Квантовые компьютеры наконец-то работают… Но будут ли они когда-нибудь полезны? От надежд к реальности

Мир замер в ожидании. Десятки, если не сотни, компаний бросились в гонку за квантовым компьютером, обещая революцию в вычислениях. Но что нас ждёт впереди: долгожданный прорыв или очередное разочарование? Способны ли эти экзотические машины стать чем-то большим, чем просто красивым лабораторным экспериментом?

Ещё десять лет назад перспективы квантовых вычислений казались туманными. Сегодня же мы наблюдаем формирование глобальной экосистемы, инвестиции в которую растут как на дрожжах. Квантовые компьютеры, вопреки скептическим прогнозам, действительно заработали. Однако, вопрос «что они могут?» остаётся открытым.

Кубиты: больше — не значит лучше?

Проблема в том, что практическое применение квантовых компьютеров пока весьма ограничено. Обещанная способность решать задачи, неподвластные классическим машинам, остаётся недостижимой мечтой. Чтобы её воплотить в реальность, необходимо не только увеличить мощность квантовых компьютеров, но и существенно снизить количество ошибок в вычислениях. И здесь возникает парадокс: увеличение количества кубитов (базовых единиц квантовой информации) неизбежно приводит к росту числа ошибок.

Этот замкнутый круг учёные пытаются разорвать, группируя физические кубиты в так называемые «логические кубиты». Логические кубиты способны обнаруживать и исправлять ошибки в режиме реального времени, что, по идее, должно обеспечить стабильность и достоверность вычислений. Но, как говорится, гладко было на бумаге…

Гонка технологий: кто вырвется вперёд?

Вместо единого пути к квантовой вычислительной утопии, мир наблюдает за ожесточённой конкуренцией различных подходов. Калифорнийский стартап Atom Computing, например, делает ставку на количество. Их квантовый компьютер с 1180 кубитами, созданными на основе нейтральных атомов иттербия, является рекордсменом по числу кубитов. Другие компании, такие как Pasqal, также экспериментируют с нейтральными атомами, а исследователи из Китая пытаются оптимизировать процесс сборки с помощью искусственного интеллекта.

Однако, как справедливо отмечает NVIDIA, простого увеличения числа кубитов недостаточно. Необходимо разрабатывать эффективные алгоритмы и методы использования квантовых компьютеров, чтобы раскрыть их потенциал. Именно поэтому NVIDIA активно сотрудничает с другими компаниями, занимающимися квантовыми вычислениями, чтобы найти оптимальные пути применения этих новых технологий. Microsoft, в свою очередь, в сотрудничестве с Atom Computing, создала 24 логических кубита, связанных квантовой запутанностью, что является важным шагом на пути к созданию практических устройств.

Но и здесь есть свои лидеры. Стартап QuEra из Бостона продемонстрировал более 40 логических кубитов, а компания Quantinuum и вовсе вырвалась вперёд, создав и запутав 50 логических кубитов. Quantinuum обещает к концу года представить квантовый компьютер, способный кодировать в триллион раз больше информации, чем их уже рекордная машина.

Гибкость против скорости: битва подходов

Quantinuum использует другой подход к реализации кубитов, основанный на заряженных ионах иттербия, удерживаемых электромагнитными полями. Этот подход также популярен среди таких компаний, как Oxford Ionics и IonQ. Одним из преимуществ ионных и атомных кубитов является гибкость: соединения между кубитами можно легко переключать, что позволяет адаптировать их к различным алгоритмам и методам исправления ошибок. «Гибкость и универсальность сейчас — это главное», — подчёркивают в IonQ.

Именно на эту гибкость делают ставку сторонники ионных и атомных технологий, надеясь обойти таких гигантов, как Google и IBM. Google, напомним, в 2019 году первой заявила о достижении «квантового превосходства», а в 2024 году подтвердила свой статус с новым чипом Willow. Google и IBM используют сверхпроводящие кубиты, которые, в свою очередь, имеют свои преимущества: они быстрее и иногда надёжнее.

Однако, сверхпроводящие кубиты, как правило, жёстко соединены друг с другом, что затрудняет реализацию современных алгоритмов исправления ошибок и эксперименты с новыми кодами. «Разработка новых кодов исправления ошибок происходит очень быстро, и я не удивлюсь, если это ещё не конец», — отмечают эксперты.

Неудача — тоже опыт

Впрочем, не стоит считать усилия Google напрасными. Компания продемонстрировала, что увеличение числа физических кубитов в логических кубитах Willow повышает их способность исправлять ошибки, что является критически важным для создания масштабных квантовых компьютеров. IBM, в свою очередь, планирует к 2026 году создать квантовый процессор с более чем 4000 кубитами и разрабатывает компоненты, позволяющие объединять существующие устройства в более мощные системы.

Сверхпроводимость: приговор или шанс?

Дэвид Ривас из Rigetti Computing, специализирующейся на сверхпроводящих кубитах, уверен, что этот подход ещё не исчерпал себя. Rigetti Computing даже продаёт готовый к использованию квантовый компьютер с 9 кубитами, а также предоставляет доступ к процессору с 84 кубитами. Клиентами компании, по словам Риваса, являются как государственные лаборатории, так и коммерческие предприятия.

Alice & Bob также использует сверхпроводящие компоненты, но их конструкция отличается приоритетом подавления ошибок ещё до создания логических кубитов. Благодаря этому подходу, Alice & Bob надеется достичь полностью безошибочных квантовых вычислений с тысячами кубитов, в то время как конкурентам, возможно, потребуются миллионы.

Фотоны: ставка на масштаб

В этой гонке технологий есть и аутсайдеры. Компания PsiQuantum, например, отказалась от экспериментов с небольшими системами и планирует к 2027 году представить крупномасштабный квантовый компьютер на основе фотонов. Команда PsiQuantum сосредоточена на интеграции сложных компонентов (лазеров, линз и т. п.) в полупроводниковые чипы, что позволит масштабировать производство и снизить стоимость.

Другие компании, такие как Xanadu и Quandela, также экспериментируют с фотонными квантовыми компьютерами, но идут более традиционным путём.

Кто победит?

В этой сложной и быстро меняющейся обстановке трудно предсказать, кто вырвется вперёд. Эксперты, такие как Джон Прескилл из Калифорнийского технологического института, делают ставку на атомы, благодаря их потенциалу масштабирования и гибкости. «То, что [квантовый компьютер на нейтральных атомах] мог бы сделать с несколькими десятками тысяч кубитов, было бы сопоставимо с тем, что в сверхпроводящем квантовом компьютере могло бы потребовать сотни тысяч кубитов», — говорит Прескилл.

Но лучший кубит, возможно, это тот, о котором нам даже не придётся задумываться. Будущие инженеры должны воспринимать квантовые компьютеры как ещё один мощный вычислительный инструмент, наряду с суперкомпьютерами и искусственным интеллектом. «Я надеюсь, что в конце концов никому больше не придётся думать о физических кубитах», — говорит Блум. И тогда квантовые компьютеры смогут не просто работать, но и решать проблемы, способные изменить мир.

Квантовые горизонты: где уже сегодня применяют квантовые компьютеры?

Несмотря на все сложности и нерешённые проблемы, квантовые компьютеры уже находят применение в различных областях. Cleveland Clinic, например, использует квантовый компьютер IBM для медицинских исследований. Компания Moderna, известная своими мРНК-вакцинами, применяет квантовые компьютеры IBM для моделирования поведения молекул при разработке новых лекарств.

Банки (HSBC, JP Morgan Chase, Goldman Sachs, Wells Fargo) исследуют квантовые алгоритмы для оптимизации ценообразования и защиты транзакций. Quantinuum, в сотрудничестве с Mitsui & Co., разрабатывает квантовые токены, аналог криптовалюты. Автомобильный гигант BMW изучает применение квантовых компьютеров для разработки новых материалов и оптимизации логистики.

Однако, не все эксперименты заканчиваются успешно. Alibaba и Baidu, например, закрыли свои исследовательские лаборатории квантовых вычислений.

Таким образом, квантовая революция, если и произойдёт, то не в одночасье. Это долгий и сложный процесс, требующий огромных усилий, инновационных решений и, конечно, немалой доли удачи. Мир замер в ожидании, и лишь время покажет, станут ли квантовые компьютеры ключом к новым научным открытиям и технологическим прорывам, или же останутся лишь красивой, но малополезной игрушкой.