Квантовое превосходство достигнуто. Что дальше?

Квантовое превосходство достигнуто в 2017 году. Это значит, что компьютер, использующий кубиты (и в перспективе способный демонстрировать мощность, которую придется записывать цифрой с 90 нулями), впервые стал эффективнее современных устройств, оперирующих битами. Граница пролегла на отметке 50 кубитов.

Кто

О создании квантового компьютера на 51 кубит объявили в Москве, на Международной конференции по квантовым технологиям (ICQT-2017). Вместо сверхпроводников разработчики использовали так называемые холодные атомы и убедились, что они могут служить кубитами, если эти атомы удерживать лазерами и охлаждать до сверхнизких температур. Авторами разработки стали физики из Гарварда и Российского квантового центра.

Невероятный прогресс произошел меньше чем за один год. Так, в марте IBM анонсировала создание коммерческого квантового компьютера с 50 кубитами. А до тех пор максимальная мощность, достигнутая компанией, составляла 5 кубитов. И только в начале года разработчики заговорили о десятках квантовых бит.

В мае рекордсменом считался компьютер IBM на 17 кубитов.

В ноябре 2017 года ученые этой же компании представили прототип процессора с 50 квантовыми разрядами. Впрочем, критики тут же отметили, что никто не видел данные о новой системе в рецензируемых научных изданиях. Остается только верить работникам корпорации на слово.

Google тоже обещал представить к концу года чип на 49 кубит. В середине года эта компания лидировала со своим 20-кубитным процессором. Теперь разработчики думают, как сделать эту разработку практически применимой. Основной вариант — открыть другим лабораториям доступ к квантовым компьютерам компании.

Еще один мировой рекорд поставили китайские ученые. Частота обработки сигналов у разработанного ими устройства в 24 раза превысила лучшие достижения европейских и американских ученых. Также сотрудники Китайской академии наук добились лучших результатов в контроле максимального количества запутанных сверхпроводящих кубитов.

Как

Очевидно, что кубиты это квантовые разряды, а реализовать их могут самые разные объекты, имеющие два квантовых состояния. Например, фотоны или ионы. И от того какие частицы мы применим, во многом будет зависеть результат, к которому так стремятся в лабораториях разных стран и компаний.

Например, ученые из Йельского университета предложили хранить квантовую информацию в звуковых волнах. Частица звука, фонон, может существовать достаточно долго, если будет отскакивать от сапфировых зеркал. А долговечность и стабильность работы — одна из главных проблем квантовых компьютеров. Пока рекорд по поддержанию квантового состояния не превышает 90 микросекунд.

Швейцарские исследователи попытались стабилизировать кубиты при помощи графена. На его основе был сделан конденсатор, который обеспечивает нелинейность, необходимую для генерации квантовых битов.

Инженерам из австралийского Университета Нового Южного Уэльса удалось сохранить кубиты связанными на расстоянии сотен нанометров — а это очень много для квантовых технологий. Предполагается, что новая архитектура позволяет масштабировать чипы, делает их дешевле и проще в изготовлении.

Но самая интересная разработка уходящего года, пожалуй, принадлежит исследователям из Северо-Западного университета (США). Им удалось создать квантовую запутанность внутри биологической системы. Ученые взяли белки водорослей, и запутали фотоны, генерируемые флуоресцирующими молекулами, подвергая их спонтанному четырехволновому смешению.

В результате эксперимента была достигнута поляризация пары фотонов — доказательство того, что квантовое запутывание возможно и в биологических объектах. Теперь ученые намерены создать субстрат для квантовой машины и определить, будет ли он работать эффективнее, чем синтетический. Возможно, самый совершенный компьютер будущего окажется живым.

Зачем

Сферой применения мощных квантовых компьютеров чаще всего называют биологию и медицину. Например, фармакологический концерн Biogen заключил с несколькими компаниями договор о создании квантовой системы, которая сможет сравнивать лекарства на молекулярном уровне; обсчитывать их свойства и предсказывать воздействие на конкретные организмы. Возможно, это приблизит открытие средств для борьбы с рассеянным склерозом, болезнями Альцгеймера и Паркинсона.

Онкологи надеются, что квантовые вычисления помогут победить рак. А в лабораториях IBM реконструируют взаимодействие субатомных компонентов гидрида бериллия, сегодня это самая сложная молекула, которая подверглась квантовому моделированию. Ученые воссоздают каждый электрон в каждом атоме, учитывают все воздействия и надеются, что точная модель позволит найти наиболее стабильную конфигурацию соединения. Если метод оправдает себя, он позволит прогнозировать поведения атомов во многих химических веществах.

И еще одно практическое исследование: сотрудники Google обещают, что в начале этого года чип, разработанный корпорацией, приступит к вычислению задачи, решение которой на классическом компьютере заняло бы несколько миллиардов лет. При этом речь об устройстве на 22 кубита, а мы уже обсуждаем 50-кубитные модели.

И это уже не будущее, это настоящее.