Nature: Квантовый компьютер IBM преодолел рубеж в вычислениях
Эксперимент «Эталон» предполагает, что квантовые компьютеры могут получить полезные приложения в реальном мире в течение двух лет.
Четыре года назад физики из Google заявили, что их квантовый компьютер может превзойти классические машины, но только в нишевых вычислениях, не имеющих практического применения. Теперь их коллеги из IBM говорят, что у них есть доказательства того, что квантовые компьютеры скоро превзойдут обычные в решении полезных задач, таких как расчёт свойств материалов или взаимодействие элементарных частиц.
В эксперименте, описанном в журнале Nature 14 июня1, исследователи смоделировали поведение магнитного материала на квантовом процессоре IBM Eagle. Важно отметить, что им удалось обойти квантовый шум — главное препятствие для этой технологии, поскольку он вносит ошибки в расчёты — и получить надёжные результаты.
Их методы «смягчения ошибок» позволили команде выполнять квантовые вычисления «в масштабе, с которым классические компьютеры будут бороться», — говорит Кэти Пиццолато (Katie Pizzolato), возглавляющая группу квантовой теории IBM в Йорктаун-Хайтс, Нью-Йорк.
Хотя проблема, над которой они работали, использует сильно упрощённую, нереалистичную модель материала, «это вселяет оптимизм в то, что это будет работать в других системах и более сложных алгоритмах», — говорит Джон Мартинис (John Martinis), физик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. который привёл команду Google к её важной вехе в 2019 году.
Сабрина Манискалько (Sabrina Maniscalco), исполнительный директор стартапа Algorithmiq в Хельсинки, занимающегося квантовыми вычислениями, говорит, что эксперимент представляет собой эталон современного состояния квантовых компьютеров. «Эти машины приближаются», — говорит она. Компания Манискалько разрабатывает алгоритмы квантово-химических расчётов, которые нацелены на уменьшение ошибок.
Уникально квантовый
Квантовые компьютеры используют специфические квантовые явления, такие как способность объекта существовать в одновременной «суперпозиции» двух состояний, а также способность нескольких объектов разделять общее квантовое состояние, что физики называют запутанностью. Кубиты являются квантовым эквивалентом битов обычных компьютеров и могут находиться в суперпозиции состояний «0» и «1» и быть запутанными друг с другом.
Физики экспериментировали с различными аппаратными средствами для создания квантовых компьютеров, включая ловушки для отдельных ионов или нейтральных атомов. Подход IBM, который также используется Google и другими компаниями, заключается в кодировании каждого кубита в крошечной сверхпроводящей схеме. Чтобы квантовые компьютеры были эффективными, кубиты должны сохранять свое квантовое состояние достаточно долго для выполнения вычислений. По информации команды IBM, для увеличения срока службы кубитов были предприняты важные инженерные усилия.
В последней статье физик IBM Абхинав Кандала (Abhinav Kandala) и его сотрудники провели точные измерения шума в каждом из своих кубитов, которые могут следовать относительно предсказуемым закономерностям, определяемым их положением внутри устройства, микроскопическими дефектами их изготовления и другими факторами. Используя это знание, исследователи экстраполировали обратно на то, как их измерения — в данном случае полного состояния намагниченности двумерного твёрдого тела — будут выглядеть в отсутствие шума. Затем они смогли выполнить вычисления, включающие все 127 кубитов Eagle и до 60 шагов обработки — больше, чем в любом другом известном эксперименте по квантовым вычислениям.
Подход к ошибкам
Мартинис говорит, что результаты подтверждают краткосрочную стратегию IBM, направленную на обеспечение полезных вычислений за счёт смягчения, а не исправления ошибок. В долгосрочной перспективе IBM и большинство других компаний надеются перейти к квантовой коррекции ошибок — методу, который потребует большого числа дополнительных кубитов для каждого кубита данных. (Стратегия Google направлена на совершенствование методов квантовой коррекции ошибок.)
Некоторые исследователи менее оптимистичны в отношении потенциала подавления шума и ожидают, что только квантовая коррекция ошибок позволит выполнять вычисления, которые были бы невозможны даже на самых больших классических суперкомпьютерах2.
У Eagle 127 кубитов, но IBM планирует представить свой самый мощный процессор, чип Condor на 1121 кубит, в конце этого года. По словам Джея Гамбетты (Jay Gambetta), руководителя отдела квантовых технологий IBM, у компании также есть «процессоры служебного масштаба» с объёмом до 4158 кубитов. Он добавляет, что для достижения долгосрочной цели по созданию к 2033 году машин на 100 000 кубитов, способных выполнять алгоритмы с полной исправлением ошибок, исследователям потребуется решить существенные инженерные проблемы.
Литература
1 Kim, Y. et al. Nature 618, 500–505 (2023).
2 Daley, A. J. et al. Nature 607, 667–676 (2022).