Глобальные проблемы квантовых вычислений: когда наступит эра квантовых компьютеров

Изображение: (с)

Квантовые компьютеры удивительным образом изменят окружающий нас мир. Многие используемые сегодня методы шифрования более не будут эффективны против квантовых вычислений. Однако квантовые вычисления также помогут нам решить довольно сложные проблемы. Они даже решат проблему шифрования, поскольку квантовое шифрование будет, насколько нам известно, полностью безопасным.

Квантовые компьютеры могут помочь нам решить проблему изменения климата с помощью моделирования погоды. Мы будем намного ближе к успешному моделированию человеческого мозга. Даже создание полноценного ИИ будет относиться к области деятельности квантовых устройств.

Квантовые компьютеры должны превзойти классические компьютеры в решении многих задач. Но прежде чем квантовые компьютеры станут действительно мощными, исследователи должны решить ряд фундаментальных проблем.

Специалисты в области квантовых вычислений как-то должны справиться с проблемой шума. Несколько лет назад компания IBM дала возможность любому подключиться к компьютеру на 5-квантовый бит (кубит). На тот момент компьютер больше напоминал игрушку для исследователей. Но в проекте зарегистрировались 70 000 пользователей со всего мира, и количество кубитов увеличилось в четыре раза. В последние несколько месяцев IBM и Intel объявили, что они сделали квантовые компьютеры с, соответственно, 50 и 49 кубитами. Заметен большой прогресс.  

Исследователи говорят о надвигающемся «квантовом превосходстве»: речь идет о моменте, когда квантовый компьютер сможет выполнять задачу за пределами возможностей современных классических суперкомпьютеров. Это может показаться абсурдным, если вы сравните просто числа: 50 кубитов против миллиардов классических бит в вашем ноутбуке. Но весь смысл квантовых вычислений состоит в том, что квантовый бит рассчитывается гораздо быстрее, чем классический бит. Пятьдесят кубитов уже давно считаются приблизительным числом, при котором квантовое вычисление начинает иметь практический смысл – уже на этой отметке некоторые алгоритмы решаются быстрее, чем на современных классических компьютерах.  

Было бы заманчиво заключить из всего этого, что путь к будущему вездесущих квантовых вычислений теперь только вопрос техники. Но это ошибка. Основополагающая физика квантовых вычислений далека от решения.

Даже если мы скоро перейдем к эре квантового превосходства, следующий год или два могут стать для нас настоящим временем испытаний.  

В Центре квантовых вычислений IBM находятся квантовые компьютеры в больших криогенных резервуарах (справа)

Классические компьютеры кодируют и обрабатывают информацию в строках двоичных цифр - 1 или 0. Квантовые биты делают то же самое, за исключением того, что они могут быть помещены в так называемую суперпозицию состояний 1 и 0 – измерение состояния кубита может дать ответ 1 или 0 с некоторой четко определенной вероятностью.

Чтобы выполнить вычисление со многими такими кубитами, все они должны поддерживаться во взаимозависимых суперпозициях – «квантово-когерентных» состояниях. Добавление дополнительного кубита потенциально удваивает мощность квантового компьютера. Вот почему разница между 5-кубитной и 50-кубитовой машиной настолько значительна.   


Внутри одного из криостатов IBM, подключенных к квантовой системе с 50 кубитами

Трудно сказать уверенно, какую мощность будут иметь квантовые компьютеры, потому что трудно определить, что означает квантовая механика вообще. Уравнения квантовой теории, безусловно, показывают, что у нас есть эффективная модель: по крайней мере, для некоторых классов вычислений происходит огромное ускорение расчета. Но как именно?   

Чтобы выполнить квантовое вычисление, вам нужно, чтобы все ваши кубиты были согласованными. И это очень сложно. Взаимодействия системы квантово-когерентных сущностей с окружающей их средой создают каналы, через которые когерентность быстро «течет» в процессе, называемом декогеренцией. Исследователи, стремящиеся построить квантовые компьютеры, должны отказаться от декогеренции. В настоящий момент добиться этого удается только на долю секунды. Эта проблема становится все больше, поскольку увеличивается количество кубитов - и, следовательно, растет потенциал для взаимодействия с окружающей средой.    

Квантовые ошибки

Есть вторая фундаментальная причина, почему квантовые вычисления настолько сложны. Случайные флуктуации, от тепла в кубитах, или от фундаментально квантовомеханических процессов, будут иногда рандомизировать состояние кубита, что может привести к срыву расчета. Это опасно и для классических вычислений, но вы просто сохраняете несколько резервных копий каждого бита.   

Исследователи, работающие на квантовых компьютерах, разработали стратегии для решения проблемы шума. Но эти стратегии налагают огромные издержки – все ваши вычислительные мощности идут на исправление ошибок, а не на выполнение алгоритмов.    

Большое количество исследований по основам квантовых вычислений было посвящено исправлению ошибок. Часть проблемы связана с другим ключевым свойством квантовых систем: суперпозиции могут поддерживаться только до тех пор, пока вы не измеряете значение кубита. Если вы сделаете измерение, суперпозиция рухнет до определенного значения: 1 или 0. Итак, как вы можете узнать, есть ли у кубита ошибка, если вы не знаете, в каком состоянии он находится?   

Одна изобретательная схема предполагает косвенное наблюдение, связывая кубит с другим «анцилла» кубитом, который не участвует в расчете, но который может быть исследован без разрушения состояния самого основного кубита. Однако это сложно реализовать. Такие решения означают, что для построения подлинного «логического кубита», на котором могут выполняться вычисления с исправлением ошибок, вам нужно много физических кубитов.   

Сколько? По разным оценкам, от 800 до 10 000 физических кубитов потребуются для создания одного логического кубита - совершенно непрактичные числа.    

Альтернативой исправлению ошибок является их устранение или устранение их влияния: так называемое устранение ошибок. Например, исследователи из IBM разрабатывают схемы математического определения количества ошибок, которые, вероятно, возникли при вычислении, а затем экстраполируют вывод вычисления на предел «нулевого шума».   

Некоторые исследователи считают, что проблема исправления ошибок окажется трудноразрешимой. Задача создания квантовых кодов с исправлением ошибок сложнее, чем задача продемонстрировать квантовое превосходство.   

Недавние эксперименты в IBM продемонстрировали основные элементы квантовой коррекции ошибок на небольших устройствах, прокладывая путь к более крупным устройствам, где кубиты могут надежно хранить квантовую информацию в течение длительного периода времени при наличии шума. Однако мы еще очень далеко от создания универсального отказоустойчивого квантового компьютера, который должен использовать логические кубиты.    

Жизнь с ошибками


Пока квантовые компьютеры будут подвержены ошибкам остается вопрос, как с этим жить. Нам нужны алгоритмы, которые позволяют получить правильный результат, несмотря на наличие ошибок.    

Квантовое поведение электронов и атомов относительно близко к поведению квантового компьютера. Таким образом, задачи квантовой химии и материаловедения могут стать основой для вычислений первых квантовых компьютеров. Если бы у нас было более 200 логических кубитов, мы могли бы делать что-то в квантовой химии вне стандартных подходов.   

Квантовые симуляции доказывают свою ценность даже на очень маленьких квантовых компьютерах. Группа исследователей разработала алгоритм variational quantum eigensolver (VQE), который может эффективно находить наименее энергетические состояния молекул даже с шумными кубитами. Пока алгоритм может обрабатывать очень маленькие молекулы с несколькими электронами. Но возможности улучшаются.   

Даже для этого приложения логические кубиты с исправлением ошибок, вероятно, понадобятся, прежде чем квантовые компьютеры действительно начнут превосходить классические устройства.    

Квантовое превосходство

Несмотря на проблемы с достижением всех поставленных целей, быстрый рост квантовых компьютеров с 5 до 50 кубитов дает надежду. Но мы не должны слишком зацикливаться на этих цифрах, потому что они рассказывают только часть истории.    

Не все кубиты шумят одинаково. Теоретически можно сделать малошумящие кубиты из так называемых топологических электронных состояний некоторых материалов, в которых «форма» электронных состояний, используемых для кодирования двоичной информации, представляет собой защиту от случайного шума. Исследователи из Microsoft ищут такие топологические состояния в экзотических квантовых материалах, но нет никакой гарантии, что состояния будут найдены или будут контролируемыми.   

Исследователи из IBM предположили, что мощность квантового вычисления на устройстве выражается как число, называемое «квантовым объемом», которое объединяет все соответствующие факторы: число и связность кубитов, глубину алгоритма и другие параметры, например шумность. Квантовый объем лучше характеризует мощь квантового вычисления, и, следовательно, наша основная цель сейчас – разработать квантово-вычислительное оборудование, которое увеличивает доступный квантовый объем.   

Образ 50-кубитного квантового компьютера, превосходящего современный суперкомпьютер, выглядит привлекательно, но он оставляет много вопросов. Как вы узнаете, что квантовый компьютер нашел верный ответ, если вы не можете проверить его с помощью классического устройства? И как вы можете быть уверены, что классическая машина не окажется лучше, если вы сможете найти правильный алгоритм?   

Таким образом, квантовое превосходство – это концепция, с которой нужно обращаться с осторожностью. Некоторые исследователи предпочитают сейчас говорить о «квантовом преимуществе», имея ввиду ускорение, которое предлагают квантовые устройства, не делая окончательных утверждений о том, что лучше.    

Демонстрация однозначного квантового преимущества станет важным событием, доказывающим, что квантовые компьютеры действительно могут расширить наши технологические возможности. Вот почему так важно дать возможность всему миру использовать и изучать новые квантовые технологии.