Технологические гиганты ожидают появления полезных квантовых компьютеров в этом десятилетии

Технологические компании в США соревнуются в масштабировании квантовых компьютерных систем от лабораторных прототипов до промышленных машин, согласно деталям, раскрытым IBM, Google, Amazon, Microsoft и другими.

Прорывы в дизайне чипов и исправлении ошибок сократили технические разрывы, сделав десятичную цель достижимой для некоторых, в то время как другие предупреждают, что путь будет гораздо дольше.

Объявление IBM в июне представило полнофункциональный дизайн, восполняющий недостающие инженерные детали из более ранних планов. Джей Гамбетта, руководящий квантовой программой компании, заявил, что у них теперь есть «ясный путь» к машине, которая превзойдет классические компьютеры в таких задачах, как моделирование материалов и ИИ, до 2030 года.

Квантовая исследовательская группа Google под руководством Джулиана Келли устранила один из своих главных технических барьеров в прошлом году и заявляет, что также завершит работу до конца десятилетия, назвав все оставшиеся проблемы «преодолимыми».

Компании стремятся решить проблемы масштабирования

Оскар Пейнтер, глава квантового оборудования Amazon, предупредил, что, даже имея за плечами крупные физические достижения, промышленная фаза может занять 15–30 лет. Переход от менее чем 200 кубитов — базовых квантовых единиц — к более чем одному миллиону необходим для значимой производительности.

Масштабированию препятствует нестабильность кубитов, которая ограничивает их полезное состояние долей секунды. Чип Condor от IBM на 433 кубита показал интерференцию между компонентами, проблему, которую генеральный директор Rigetti Computing Субодх Кулкарни описал как «неприятную физическую проблему». IBM заявляет, что ожидала этой проблемы и теперь использует другой тип связующего элемента для снижения интерференции.

Ранние системы полагались на индивидуальную настройку кубитов для улучшения производительности, но это не работает при большом масштабе. Теперь компании разрабатывают более надежные компоненты и более дешевые методы производства.

Google ставит перед собой цель снизить стоимость компонентов в десять раз, чтобы создать полнофункциональную систему за $1 млрд. Исправление ошибок, дублирование данных между кубитами так, чтобы потеря одного из них не искажала результаты, считается обязательным условием для масштабирования.

Google — единственная компания, продемонстрировавшая чип, в котором исправление ошибок улучшается по мере роста систем. Келли сказал, что пропуск этого шага приведет к «очень дорогой машине, которая выдает шум».

Конкурирующие дизайны и государственная поддержка

IBM делает ставку на другой метод исправления ошибок под названием код четности с низкой плотностью, который, по ее утверждениям, требует на 90% меньше кубитов, чем подход Google с поверхностным кодом. Поверхностный код соединяет каждый кубит в сетке с соседями, но требует более миллиона кубитов для полезной работы.

Метод IBM требует дальних соединений между кубитами, которые сложно спроектировать. IBM заявляет, что теперь достигла этого, но аналитики, такие как Марк Хорват из Gartner, говорят, что дизайн все еще существует только в теории и должен быть доказан в производстве.

Остаются и другие технические препятствия: упрощение проводки, подключение нескольких чипов в модули и создание более крупных криогенных холодильников для поддержания систем, близких к абсолютному нулю.

Сверхпроводящие кубиты, используемые IBM и Google, демонстрируют значительный прогресс, но их сложно контролировать. Альтернативы, такие как захваченные ионы, нейтральные атомы и фотоны, более стабильны, но медленнее и сложнее объединяются в крупные системы.

Себастьян Вайдт, генеральный директор британской компании Universal Quantum, говорит, что решения о государственном финансировании, вероятно, сузят круг претендентов до нескольких участников. Darpa, исследовательское агентство Пентагона, запустило обзор для определения самого быстрого пути к практической системе.

Amazon и Microsoft экспериментируют с новыми дизайнами кубитов, включая экзотические состояния материи, в то время как устоявшиеся игроки продолжают совершенствовать старые технологии. «Просто потому, что это сложно, не значит, что это невозможно», — сказал Хорват , резюмируя решимость отрасли достичь отметки в миллион кубитов.