Квантові обчислення протягом довгого часу здавалися нездійсненною технологією, яку, можливо, вдасться реалізувати років через двадцять. Але 2017 рік може стати роком, коли найсміливіші ідеї вчених будуть втілені в життя.
Комп’ютерні гіганти Google і Microsoft недавно найняли безліч видатних вчених і поставили перед ними складні завдання на цей рік. Амбітні плани компаній полягають в тому, щоб, нарешті, перейти від теорії до практики.
У 2014 році Google почав роботу над пристроєм для квантових обчислень, який використовує надпровідність. Вчені сподіваються, що в цьому році або трохи пізніше їм вдасться виконати обчислення, які не під силу найпотужнішим «класичним» суперкомпьютерам. Їх конкурент – компанія Microsoft – робить ставку на інтригуючу, але недоведену поки концепцію топологічних квантових обчислень і сподівається першим презентувати її громадськості.
Стартапи, які займаються квантовими обчисленнями, також беруть участь у перегонах. Фізик Роберт Шоелкопф з Єльського університету (Нью-Хейвен, Коннектикут), співзасновник стартапу Quantum Circuits, а також колишній фізик IBM Чад Рігетті (Берклі, Каліфорнія) розраховують на здійснення прориву в найближчий час.
В академічних лабораторіях дотримуються такої ж думки. Роберт Шоелкопф, керівник групою, яка займається будівництвом квантового комп’ютера в Єлі, каже, що вони перевірили всі компоненти і функції. Він та багато інших вчених сходяться на думці, що, хоча потрібно провести ще багато фізичних експериментів, основні труднощі тепер полягають в інженерії. Квантовий комп’ютер з найбільшою кількістю кубітів (20 кубітів на сьогоднішній день) зараз тестується в університеті Інсбрука в Австрії під керівництвом Рейнера Блату.
У той час як звичайні комп’ютери кодують інформацію за допомогою бітів, які можуть знаходитися в двох станах – нуль або одиниця – «кубіти», за допомогою яких працюють квантові комп’ютери, можуть бути в «суперпозиції» двох станів відразу. Це, а також здатність кубітів перебувати в квантовому стані, який називається сплутаність, дасть можливість комп’ютерам виконувати безліч обчислень одночасно. І, в принципі, кількість таких обчислень може подвоюватися для кожного додаткового кубіта, приводячи, таким чином, до експоненціальних підвищень продуктивності.
Ця швидкість може дозволити квантовим комп’ютерам виконувати певні операції, як пошук величезних базах даних або факторизація великих чисел, які були б неможливі для більш повільних звичайних комп’ютерів. Квантові комп’ютери також могли б використовуватися в якості інструменту дослідження: хіміки отримали б можливість моделювати хімічні реакції, а фізики – розробляти матеріали, що надпроводиться.
Існує безліч думок з приводу того, як будувати кубіти. Серед них виділяються два підходи, які продемонстрували здатність зберігати інформацію протягом тривалого часу всупереч уразливості квантових станів від зовнішніх впливів. Перший підхід, що розробляється Шоелкопфом і прийнятий компаніями Google, IBM, Rigetti і Quantum Circuits, полягає в кодуванні квантових станів як коливальних струмів в надпровідних петлях. Другий підхід, що розробляється IonQ і кількома великими академічними лабораторіями, полягає в кодуванні кубітів в одиночні іони, утримувані електричним і магнітним полями у вакуумних пастках.
Вчений Джон Мартінис, який працював у Каліфорнійському університеті до того, як Google найняв його і його дослідницьку групу в 2014 році, каже, що більш докладні знання про технології надпровідності підказали його команді сміливу ідею про квантову перевагу.
Команда вчених планує досягти його за допомогою хаотичного квантового алгоритму, який створює те, що здається випадковими вихідними даними. Якщо алгоритм виконується на квантовому комп’ютері з відносно невеликого числа кубітів, звичайний комп’ютер може передбачити результат. Але як тільки квантова машина наближається до використання п’ятдесяти кубітів, навіть найбільші класичні суперкомп’ютери будуть не в змозі встигати за ним.
Результати обчислень не будуть мати практичного застосування, але вони продемонструють те, що існують завдання, з якими під силу впоратися тільки квантовим комп’ютерам, а це приверне увагу потенційних клієнтів.«Ми думаємо, що це буде плідний експеримент», — заявляє Мартінис.
Але Роберт Шоелкопф не вважає ідею квантової переваги чимось цікавим або придатним. Почасти це пов’язано з тим, що виникає проблема виправлення помилок: спроможність системи відновлювати інформацію погіршується зі збільшенням числа кубітів. Замість цього, стартап Quantum Circuits сконцентрований на тому, щоб з самого початку створювати машини, які не потребують виправлення помилок.
Крістофер Монро сподівається досягти квантової переваги в найближчому часі, але це не головна мета IonQ. За його словами, ідея стартапу полягає в будівництві машин, у яких буде 32 або навіть 64 кубіта, і технологія іонної пастки дозволить їх конструкції бути більш гнучкою, ніж надпровідні схеми.
Microsoft тим часом робить ставку на іншу технологію. Топологічні квантові обчислення залежать від речовини, яка кодує інформацію шляхом заплутування наче косами. Інформація, що зберігається в цих кубітах, буде більш стійка до зовнішніх впливів, а також спростить корекцію помилок.
Поки нікому не вдалося домогтися створення таких структур. Але Microsoft залучив чотирьох провідних вчених, включаючи Лео Кувенховена з університету Делфта в Нідерландах.
«Я кажу своїм студентам, що 2017 рік – це рік плетіння кіс», — сказав Кувенховен, що займається будівництвом лабораторії Microsoft в Делфті.
Інші вчені більш обережні у своїх прогнозах. «Я не роблю повідомлень для преси з приводу майбутнього», — говорить Рейнер Блат. Фізик з Національного інституту Стандартів і Технології (Боулдер, Колорадо) Девід Вайнленд, який очолює роботу над іонними пастками, також не хоче давати які-небудь прогнози. «Я оптимістичний в довгостроковій перспективі, але наскільки довгостроковою вона виявиться, я не знаю», — говорить учений.