В невысоком административном здании недалеко от Сан-Франциско белые резервуары светятся синим светом.
В них находятся сверхпроводящие чипы, подвешенные на золотых конструкциях, напоминающих люстры, и погруженные в жидкий гелий и азот. В соседней лаборатории учёные в белых защитных костюмах работают у вытяжных шкафов, создавая эти самые чипы.
Это главный завод Rigetti Computing.
Каждый резервуар содержит один из их лучших квантовых процессоров. Цель — скорость. Не просто немного быстрее, а экспоненциально быстрее. Генеральный директор Rigetti Субодх Кулкарни выражается просто:
«Мы потенциально можем решать задачи, которые сегодня считаются нерешаемыми».
Он говорит о миллионном увеличении скорости при долей затрат энергии. Именно на этом держится их питч-инвестиционные предложения.
Стартапы и технологические гиганты, такие как IBM и Google, делают большую ставку на эту мечту. В 2023 году венчурные капиталисты вложили 1,2 миллиарда долларов в квантовые проекты. Правительства тоже хотят этого, в основном чтобы взламывать шифры, которые они считают несломанными.
По мнению энтузиастов из Кремниевой долины, квантовые вычисления должны сверхэффективно усилить искусственный интеллект. Эксперты же не так уверены. Их больше интересуют открытие новых лекарств или моделирование погоды. Но ничто из этого не гарантировано.
Мы находимся на переломном моменте.
Учёные надеются масштабировать эти системы в ближайшие десятилетия. Если они преуспеют, классические компьютеры проиграют в полезных задачах. Если нет, обещания испарятся. Препятствия нависают над нами. Пока мы не преодолеем их, потенциал квантовых технологий останется теоретическим.
Кот Шрёдингера: жив и мёртв одновременно
Что же такое квантовый компьютер?
Это не просто устройство, которое подчиняется законам квантовой физики. Всему веществу подчиняются эти законы. Даже кремниевый транзистор в вашем телефоне полагается на квантовые эффекты для своей работы. Такое определение бесполезно.
Чтобы понять разницу, нужно представить кота.
Эрвин Шрёдингер предложил свой знаменитый мысленный эксперимент в 1930-х годах. Он поместил кота в герметичный ящик с радиоактивным металлом, колбой с ядом и датчиком. Если металл испускает радиацию, колба разбивается, и кот погибает. Если нет — кот живёт.
Квантовая физика утверждает, что до того, как вы посмотрите, радиация находится в суперпозиции. Частицы были испущены и не были испущены одновременно. Колба одновременно разбита и целая.
Кот одновременно мёртв и жив.
До тех пор, пока вы не откроете коробку.
Тогда волновая функция коллапсирует. Вы выбираете реальность. Но представьте, что вы проверяете состояние чуть раньше. Возможно, кот на 60% жив и на 40% мёртв. Отрегулировав время наблюдения, вы можете настроить эту смесь на любой вариант.
Именно эта настраиваемость является двигателем квантовых вычислений.
Классические компьютеры используют биты. Ноли и единицы. Квантовые компьютеры используют кубиты. Кубит похож на кота до открытия коробки. Он содержит оба состояния одновременно, в точной смеси.
И, как кот, кубиты должны быть запутаны со своей средой.
В коробке Шрёдингера судьба кота связана с металлом, детектором и ядом. Квантовый компьютер заставляет кубиты делать то же самое по команде. Он контролирует, какие именно кубиты связаны и как. Эта запутанность позволяет машине обрабатывать огромные объемы данных способами, недоступными классическим машинам.
Рассмотрим алгоритм Шора, изобретённый в 1994 году исследователем из Массачусетского технологического институтом Питером Шором. Он выполняет факторизацию больших чисел. Классическому суперкомпьютеру для определённых задач могут потребоваться миллионы лет. Квантовый компьютер справится за дни.
Почему это важно?
Потому что большинство интернет-шифрований основано на сложности факторизации больших чисел. Мощный квантовый компьютер может разрушить криптографию, удерживающую вместе интернет.
«Быстрее — это ещё мягко сказано», — говорит один эксперт, отмечая, что скорость квантовых вычислений не линейна, а экспоненциальна.
Именно поэтому разведывательные агентства так обеспокоены. Они гонятся за созданием этих машин, опередив всех остальных.
Среда — враг
Однако есть загвоздка.
Декогеренция.
Кот Шрёдингера легко запутывается со своим ящиком. Вы, читатель, слегка запутаны со своим креслом и окружающим воздухом. Это происходит естественно всякий раз, когда квантовые системы взаимодействуют с миром.
Для квантового компьютера такая естественная запутанность смертельна. Она разрушает хрупкое состояние, необходимое для вычислений.
Чтобы работать, кубиты должны оставаться изолированными. Им нужен полный контроль.
Поддержание холода помогает. Тепло вызывает атомное движение, которое создаёт нежелательные связи. Вот почему эти резервуары в Калифорнии используют жидкий гелий. Температуры, близкие к абсолютному нулю, заглушают шумы.
Но изоляция — сложная задача. Поддержание её даже на долю секунды трудно. Предотвращение взаимодействий внутри компьютера — главное препятствие между скромными устройствами сегодня и будущими гигантами.
Так что же такое кубит?
Консенсуса нет. Стандартные биты используют напряжение на кремнии. Кубиты требуют гораздо более тонкого контроля. Им нужно конкретное начальное состояние, затем точные логические вентили для манипуляции запутанностью, всё это сохраняя чистоту состояния.
Некоторые скептики считали это невозможным в 1980-х. Они были не совсем неправы. Рабочие квантовые компьютеры появились только сейчас, и они маленькие, с несколькими сотнями кубитов. Эго недостаточно для реальной работы. Слишком просто.
Для масштабирования исследователи делают ставку на разные архитектуры.
Два пути, одна проблема
Ведущими претендентами являются сверхпроводящие цепи и ловушки для ионов.
Сверхпроводящие кубиты — это крошечные цепи, изготовленные из материалов, таких как алюминий. При низких температурах они теряют электрическое сопротивление. Мы можем производить их, используя существующие технологии изготовления чипов. Они быстрые.
Минус? Они содержат миллиарды атомов. Больше атомов означает больше шума. Даже при температуре, близкой к абсолютному нулю, декогеренция наступает за десятки микросекунд.
Ловушки для ионов используют одиночные атомы, удерживаемые электрическими полями. Они гораздо меньше подвержены шуму. Одиночный атом не декогерентирует легко. Они могут сохранять когерентность в течение миллисекунд.
Минус? Их трудно манипулировать. Инженеры не могут просто «разогнать» их, как стандартные чипы.
Сейчас оба подхода достигают схожих пределов производительности прежде, чем декогеренция разрушит вычисление. Сверхпроводящие компьютеры лидируют сегодня, но ионные ловушки недалеко позади.
Решение может заключаться не в лучшем оборудовании. Возможно, это более умное программное обеспечение.
Ошибки будут проникать всегда. Декогеренция неизбежна. Но квантовая коррекция ошибок может компенсировать это.
Процесс объединяет много физических кубитов, чтобы сформировать один логический кубит. Эта избыточность означает, что один неисправный физический кубит не убивает вычисление. Это похоже на проверку кота Шрёдингера через глазок, корректируя баланс жизни и смерти, не открывая дверь полностью.
В теории это работает. Код существует.
Но цена высока.
Один логический кубит может потребовать 1000 физических кубитов. Для запуска полезных приложений нам нужны тысячи логических кубитов.
Посчитайте. Для выполнения чего-либо интересного вам понадобятся миллионы физических кубитов.
Их у нас нет. Их создание требует преодоления шумов, масштабирования производства и управления огромной сложностью.
Мы хороши в создании небольших вещей, которые работают. Мы плохи в создании крупных систем, которые не рушатся под собственным весом.
Мечта есть, она сидит в этих синих резервуарах. Она хрупка.
Удастся ли нам исправить это, или кот останется в коробке навсегда?
