Квантовая революция от Google?
Недавняя презентация нового квантового чипа Willow (1 и 2) может стать поворотным моментом для индустрии микроэлектроники, ИТ, да и вообще для всей траектории развития научно-технического прогресса.
Почему это событие так важно? Сразу спойлер — до коммерческого внедрения пройдет не менее 10-15 лет, хотя учитывая скорость развития технологий, прогресс в квантовых технологиях может удивить.
Интерес в том, что квантовые технологии могут на порядки увеличить производительность вычислительных систем, трансформировав всю ИТ индустрию, фактически с нуля. Эти вычислительные возможности меняют подход к решению сложнейших задач, ранее считавшихся неразрешимыми, нерентабельными или трудноизвлекаемыми (генная инженерия, сверхмассивые ИИ модели, климатическое моделирование, астрофизические симуляции, разработка новых материалов).
Квантовые технологии невозможно адаптировать и интегрировать в существующие ИТ-комплексы из-за принципиальных различий в архитектуре. Переход на квантовые технологии потребует полного переосмысления архитектуры вычислительных систем и их интеграции с существующими инфраструктурами. Это включает разработку новых протоколов связи, методов взаимодействия между классическими и квантовыми системами/узлами/комплексами, а также создание специализированных языков программирования для оптимизации квантовых алгоритмов.
В чем заключается неразрешимая фундаментальная проблема квантовых технологий?
Кубиты, в отличие от классических битов (ноль и единица), могут одновременно находиться в нескольких состояниях, что обеспечивает огромный параллелизм вычислений. Однако создание квантовых систем сопряжено с рядом технических трудностей:
● Чувствительность кубитов. Внешние воздействия могут разрушить квантовые состояния (декогеренция). Чем дольше кубит способен сохранять когерентность, тем больше вычислительных операций можно успеть выполнить. Добиться долгой когерентности сложно, поскольку нужно предельно изолировать систему от внешних шумов и при этом иметь доступ к ней для проведения логических операций.
● Температурные условия. Для работы большинства квантовых процессоров требуются температуры, близкие к абсолютному нулю. При этом нужно иметь возможность точного и быстрого управления состояниями кубитов (посредством электромагнитных импульсов, лазерного облучения или микроволновых сигналов) с очень высокой точностью.
● Материалы и технологические ограничения. Разработка подходящих материалов, сверхпроводниковых схем, ионных ловушек, полупроводниковых квантовых точек или фотонных схем, способных обеспечить стабильность кубитов – это сложная междисциплинарная задача. Необходимы новые подходы в литографии, разработке микроволновой/оптической аппаратуры, криогенных систем, систем контроля и электроники.
● Коррекция ошибок. Без эффективной квантовой коррекции ошибок долгое вычисление невозможно. Однако реализация алгоритмов квантовой коррекции ошибок требует множества дополнительных логических кубитов (так называемых «кубитов коррекции»), что многократно усложняет и без того непростую конструкцию квантового процессора.
Квантовые процессоры сейчас не способны безошибочно выполнять алгоритмы — всегда ошибаются, что неприемлемо для вычислений. Фундаментальная проблема заключается в том, что квантовые состояния кубитов чрезвычайно нестабильны и легко подвержены разрушению даже при минимальных внешних воздействиях, таких как тепловой шум или электромагнитные колебания — основа функционирования вычислительной среды сейчас.
Ключевой сложностью, с которой сталкивались разработчики квантовых систем, было поддержание когерентности кубитов — их способности оставаться в суперпозиции квантовых состояний в течение достаточного времени для выполнения сложных вычислений.
Чип Willow продемонстрировал экспоненциальное снижение ошибок при увеличении числа кубитов, что стало возможным благодаря внедрению продвинутых методов коррекции ошибок. Это было основным препятствием на пути к созданию прототипов квантовых компьютеров. Посмотрим, что из этого выйдет, но это годы, если не десятилетия.