Немногие области вызывают столько безудержной шумихи, как квантовые вычисления. Понимание большинства людей в квантовой физике сводится к тому факту, что она непредсказуема, мощна и почти экзистенциально странна. Несколько лет назад я предоставил IEEE Spectrum обновленную информацию о состоянии квантовых вычислений и рассмотрел как положительные, так и отрицательные утверждения в отрасли. И так же, как и в 2019 году, сегодня я сохраняю полный энтузиазма оптимизм. Несмотря на то, что шумиха реальна и превзошла фактические результаты, за последние несколько лет было сделано многое.
Во-первых, давайте рассмотрим шумиху.
За последние пять лет вокруг квантовых вычислений была бесспорная шумиха — шумиха вокруг подходов, сроков, приложений и многого другого. Еще в 2017 году поставщики заявляли, что до коммерциализации технологии осталось всего пару лет. Было даже то, что я бы назвал антихайпом , с некоторыми сомнениями, материализуются ли вообще квантовые компьютеры. Я надеюсь, что они в конечном итоге ошибаются.
Совсем недавно компании сместили свои сроки с нескольких лет на десятилетие, но продолжают выпускать дорожные карты, показывающие коммерчески жизнеспособные системы уже к 2029 году . И эти раздутые ожидания становятся институционализированными: Министерство внутренней безопасности даже выпустило дорожную карту для защиты от угроз квантовых вычислений, чтобы помочь учреждениям перейти на новые системы безопасности. Это создает менталитет «принимай или отстанешь» как для приложений квантовых вычислений, так и для постквантовой криптографической безопасности.
Исследовательская фирма Gartner (известная как «Hype Cycle» ) считает, что квантовые вычисления, возможно, уже достигли пика ажиотажа или второй фазы своей пятиэтапной модели роста. Это означает, что отрасль вот-вот вступит в фазу , называемую « корытом разочарования » . Я считаю, что это не совсем реалистично, поскольку нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы достичь квантовой практичности — момента, когда квантовые компьютеры смогут сделать что-то уникальное, чтобы изменить нашу жизнь.
На мой взгляд, до квантовой практичности, вероятно, еще 10-15 лет. Однако продвижение к этой цели не просто стабильно; это ускоряется. То же самое мы видели с законом Мура и эволюцией полупроводников: чем больше мы открываем, тем быстрее идем. Полупроводниковым технологиям потребовались десятилетия, чтобы прогрессировать до нынешнего состояния, ускоряясь на каждом шагу. Мы ожидаем аналогичного прогресса с квантовыми вычислениями.
На самом деле, мы обнаруживаем, что то, чему мы научились при разработке транзисторов в Intel , также помогает ускорить нашу работу по разработке квантовых вычислений сегодня. Например, при разработке кремниевых спиновых кубитов мы можем использовать существующую инфраструктуру производства транзисторов для обеспечения качества и ускорения производства. Мы начали массовое производство кубитов на 300-миллиметровой кремниевой пластине на мощном заводе, что позволяет нам разместить массив из более чем 10 000 квантовых точек на одной пластине. Мы также используем наш опыт работы с полупроводниками для создания криогенного чипа квантового управления под названием Horse Ridge ., который помогает решить проблемы межсоединений, связанные с квантовыми вычислениями, за счет устранения большей части кабелей, которые сегодня заполняют холодильник разбавления. А наш опыт тестирования полупроводников привел к разработке криозонда , который позволяет нашей команде получать результаты тестирования квантовых устройств за несколько часов, а не дней или недель, как раньше.
Другие, вероятно, также извлекают пользу из своих собственных предыдущих исследований и опыта. Например, недавнее исследование Quantinuum показало запутывание логических кубитов в отказоустойчивой схеме с использованием квантовой коррекции ошибок в реальном времени. Хотя это все еще примитивно, это пример прогресса, необходимого в этой важной области. Со своей стороны, у Google есть новая библиотека с открытым исходным кодом под названием Cirq для программирования квантовых компьютеров. Наряду с аналогичными библиотеками от IBM, Intel и других, Cirq помогает стимулировать разработку улучшенных квантовых алгоритмов. И, наконец, 127-кубитный процессор IBM под названием Quantum Eagle демонстрирует неуклонный прогресс в увеличении количества кубитов. Есть также некоторые ключевые проблемы, которые остаются нерешенными.
Во-первых, нам по-прежнему нужны более совершенные устройства и качественные кубиты. В то время как самые лучшие одно- и двухкубитные вентили соответствуют необходимому порогу отказоустойчивости, сообществу еще предстоит добиться этого в гораздо более крупной системе.
Во-вторых, мы еще не видели, чтобы кто-нибудь предложил технологию межсоединений для квантовых компьютеров, столь же элегантную, как то, как мы подключаем микропроцессоры сегодня. Прямо сейчас для каждого кубита требуется несколько управляющих проводов. Этот подход несостоятелен, поскольку мы стремимся создать крупномасштабный квантовый компьютер.
В-третьих, нам нужно быстрое управление кубитами и петли обратной связи. Horse Ridge является предшественником этого, потому что мы ожидаем, что задержка уменьшится, если чип управления будет находиться в холодильнике и, следовательно, ближе к чипу кубита.
И, наконец, исправление ошибок. Хотя в последнее время появились некоторые признаки прогресса в исправлении и смягчении последствий, никто еще не запустил алгоритм исправления ошибок на большой группе кубитов.
Благодаря новым исследованиям, регулярно демонстрирующим новые подходы и достижения, мы преодолеем эти проблемы. Например, многие в отрасли ищут способы интеграции кубитов и контроллера на одном кристалле для создания квантовой системы на кристалле (SoC).
Но мы все еще очень далеки от создания отказоустойчивого квантового компьютера. В течение следующих 10 лет Intel рассчитывает стать конкурентоспособной (или опередить) других с точки зрения количества кубитов и производительности, но, как я уже говорил ранее, система, достаточно большая, чтобы обеспечить убедительную ценность, не будет реализована в течение 10–15 лет. , кем угодно. Отрасли необходимо продолжать эволюцию количества кубитов и улучшения качества. После этого следующей вехой должно стать производство тысяч качественных кубитов (еще несколько лет), а затем масштабирование до миллионов.
Давайте вспомним, что Google потребовалось 53 кубита, чтобы создать приложение, которое могло бы выполнять функции суперкомпьютера. Если мы хотим изучить новые приложения, выходящие за рамки современных суперкомпьютеров, нам нужно будет увидеть размеры систем на порядки больше.
Квантовые вычисления прошли долгий путь за последние пять лет, но нам еще предстоит пройти долгий путь, и инвесторы должны будут финансировать их в долгосрочной перспективе. В лаборатории происходят важные разработки, и они показывают огромные перспективы того, что может стать возможным в будущем. На данный момент важно, чтобы мы не попадались на ажиотаж, а сосредоточились на реальных результатах.
