По мнению экспертов в этой области, одно из крупнейших оставшихся технических препятствий на пути создания практических квантовых компьютеров было устранено, что потенциально открывает путь для первых полномасштабных систем к концу этого десятилетия.
Последним признаком растущего оптимизма в многолетнем стремлении к созданию практических компьютеров, основанных на принципах квантовой механики, стало заявление Google о том, что компания прошла важную веху в преодолении присущей квантовым системам нестабильности.
Результаты привлекли внимание в мире квантовых вычислений с тех пор, как они были впервые неофициально опубликованы в августе. В понедельник они появились в рецензируемом журнале Nature.
Google также опубликовал подробную информацию о новом, более мощном квантовом чипе, который он создал для демонстрации и который, по его словам, поможет ему расширить существующую технологию для достижения практической пользы.
Эксперты в этой области сравнили достижение Google с другой научной вехой — первой искусственной ядерной цепной реакцией в 1942 году. Этот прорыв также давно предсказывали в теории, но потребовалось много лет постоянного развития оборудования, чтобы сделать его практическую демонстрацию возможной. .
«Теоретически это было предложено еще в 90-х годах», — сказал Уильям Оливер, профессор физики Массачусетского технологического института, о квантовой демонстрации Google. «Мы ждали этого результата много лет».
«Часто инженерным разработкам требуются десятилетия, чтобы догнать теорию, и это то, что мы видим здесь», — сказал Скотт Ааронсон, профессор информатики Техасского университета в Остине.
С тех пор, как идея квантовых компьютеров была впервые предложена, одним из самых больших препятствий было создание систем, достаточно стабильных для выполнения крупномасштабных вычислительных операций.
Они полагаются на квантовые эффекты, такие как суперпозиция, когда частицы существуют более чем в одном состоянии одновременно, и запутанность, когда частицы в квантовом состоянии взаимодействуют друг с другом. Но квантовые биты или кубиты, на которых построены системы, сохраняют свои квантовые состояния лишь крошечные доли секунды, а это означает, что любая информация, которую они содержат, быстро теряется.
Чем больше кубитов задействовано в вычислениях и чем больше вычислительных операций выполняется, тем больше «шума», который проникает по мере накопления ошибок. Ученые давно надеялись противостоять этому, используя метод, известный как коррекция ошибок, который предполагает кодирование одной и той же информации более чем в одном кубите, чтобы система в целом сохраняла достаточно информации для выполнения последовательных вычислений, даже если отдельные кубиты «декогерируют». ».
Однако для того, чтобы исправление ошибок работало, отдельные кубиты по-прежнему должны быть достаточно высокого качества, чтобы их совокупный результат был полезным, а не превращался в «шум».
В своей статье в журнале Nature исследователи Google заявили, что впервые преодолели этот важный порог. По их словам, когда они перешли от сетки кубитов 3×3 к 5×5 и 7×7, количество ошибок снизилось в два раза на каждом этапе.
В начале прошлого года компания Google сообщила, что предприняла первый, пробный шаг на пути к эффективному исправлению ошибок. Но его последние результаты представляют собой гораздо более надежное доказательство того, что он может преодолеть присущую системе нестабильность, поскольку масштабирует технологию до тысяч кубитов, которые потребуются для выполнения полезных вычислений, сказал Джулиан Келли, директор по квантовому оборудованию в Google. .
Следующими шагами будет дальнейшее снижение частоты ошибок взаимосвязанных групп кубитов, а затем демонстрация того, что он может связывать вместе более чем одну из этих коллекций кубитов для выполнения полезных вычислительных операций, сказал Хартмут Невен, глава квантового отдела Google.
Прогресс в исправлении ошибок стал результатом постоянного совершенствования аппаратного обеспечения. В частности, в Google заявили, что переход на производство кубитов на собственных мощностях привел к резкому изменению качества. По словам компании, новые кубиты сохраняли свое квантовое состояние в течение почти 100 микросекунд, или одной десятитысячной секунды. Это крошечный промежуток времени, но все же в пять раз лучше, чем производительность ее предыдущего оборудования.
Помимо большей стабильности, внедрение новых производственных технологий и более крупномасштабное производство на местах также обещает снизить затраты. По словам Невена, Google стремится сократить стоимость компонентов в 10 раз к концу десятилетия, в результате чего стоимость полностью функциональной квантовой системы на тот момент составит около 1 миллиарда долларов.
Некоторые конкуренты заявили, что важные конструктивные соображения все еще могут повлиять на прогресс и могут создать проблемы на этом пути.
IBM, которая гоняет Google за создание первой полномасштабной отказоустойчивой квантовой системы, поставила под сомнение практичность типа кода, который Google использует для исправления ошибок. Этот метод, известный как поверхностный код, предполагает координацию информации в большой двумерной сетке кубитов.
Джей Гамбетта, глава отдела квантовых вычислений в IBM, предсказал, что этот тип кода потребует от Google создания систем с миллиардами кубитов для выполнения практических вычислений. По его словам, IBM перешла на другой тип более модульного кода, который будет работать с меньшим количеством кубитов.
Однако разные проектные решения создают свои проблемы. Метод IBM предполагает размещение кубитов в трехмерном шаблоне, а не в плоской сетке, что требует нового типа разъема, который, по словам IBM, надеется произвести к 2026 году.
Невен из Google заявил, что, по мнению компании, методы, продемонстрированные в последних исследованиях, показали, что они могут достичь практических масштабов и что для создания полномасштабной системы потребуется около 1 млн кубитов.
