Миссия квантовых вычислений
Вот уже 30 лет физики пытаются использовать особенности квантового мира для обработки информации. Наконец цель кажется достижимой.
Когда физика Джона Мартиниса спросили, что ему больше всего нравится в его работе в Google в Маунтин-Вью, Калифорния, он не упомянул знаменитые массажные кресла в коридорах или бесплатные закуски, которые можно найти почти повсюду в кампусе. Компания. Наоборот, его впечатляет то, как спокойно Google справляется с неудачами в погоне за дальновидной целью. «Если бы каждый проект был успешным, - говорит он, - это означало бы, что вы действительно могли бы достичь большего."
Мартинис подозревает, что именно такое самообладание ему понадобится в будущем. В сентябре Google наняла его и его исследовательскую группу из 20 человек из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и поставила перед ними печально известную сложную задачу по разработке квантового компьютера: устройств, которые используют тонкости квантового мира для выполнения сложных вычислений. - хотел, если решить их с помощью обычных компьютеров, то даже времени с момента существования Вселенной не хватило бы.
Идея квантового компьютера возникла в начале 1980-х - и с тех пор разочаровывает не только Мартиниса, но и многих других физиков. На практике квантовые эффекты, необходимые для таких компьютеров, оказались чрезвычайно чувствительными и трудноуправляемыми: достаточно рассеянного фотона или внешних вибраций, чтобы прервать вычислительный процесс. Даже сегодня, после трех десятилетий экспериментов, лучшие в мире квантовые компьютеры с трудом выходят за рамки школьной работы и ищут, например, простые делители числа 21 (ответ: 3 и 7).
Прогресс настолько медленный, что скептики часто сравнивают квантовые вычисления с термоядерной энергией: революционной технологией, до которой, похоже, еще десятилетия.
Может быть, нет. Действительно, многие физики в этой области считают, что усилия могут вскоре окупиться. Квантовые биты или «кубиты», используемые для вычислений, теперь существуют не наносекунды, а минуты. Кроме того, становится все более и более успешным исправление системы, когда возникают какие-либо ошибки из-за внешних возмущений или других причин. В то же время разработчики квантового программного обеспечения сейчас создают приложения, например, для поиска новых катализаторов в промышленных процессах, которые оправдывают усилия по разработке таких компьютеров.
В любом случае, перспективы полезного и прибыльного квантового компьютера кажутся настолько хорошими, что Google также принимает участие в гонке вместе с IBM, Microsoft и другими. Ряд университетских групп также пытаются применить теорию технологии на практике. Например, спонсируемый правительством Центр QuTech в Делфтском технологическом университете в Нидерландах объединяет исследователей с представителями голландской индустрии высоких технологий. Рональд Хэнсон из Делфтского технического университета считает, что можно разработать строительные блоки универсального квантового компьютера всего за пять лет, а полнофункциональный, хотя и громоздкий и неэффективный прототип - всего за десятилетие.
Мартини не придерживается жесткого графика, но не менее оптимистичен. «За последние годы мы многого добились, - говорит физик. «Конечно, природа все еще может бросить гаечный ключ в работу, но я думаю, что шансы хорошие».
70's Kid
Концептуальные основы квантовых компьютеров были заложены в 1970-х и начале 1980-х годов, прежде всего американским физиком Ричардом Фейнманом, который уже умер. Его лекции по этому вопросу, опубликованные в 1982 г., широко считаются отправной точкой в области исследований [1]. Обычные компьютеры работают по принципу «или-или» в соответствии с фундаментальным выводом. Крошечные кремниевые схемы, каждая из которых представляет бит информации, ведут себя как переключатели, которые либо включены, либо выключены. Это позволяет им представлять такие состояния, как «истина» или «ложь» или «1» и «0» в двоичной арифметике. В квантовом мире «или-или» уступает место «и-и»: предположим, что бинарные единицы представлены электронами, вращающимися по часовой стрелке, а нули - электронами, вращающимися против часовой стрелки, тогда допустим субатомные законы, описывающие такие частицы, что квантовый бит находится в состояниях 1 и 0 одновременно.
В результате кубиты как память квантового компьютера могут существовать в любой возможной комбинации единиц и нулей одновременно. В то время как классический компьютер должен по очереди обрабатывать каждую комбинацию, квантовый компьютер может обрабатывать все комбинации одновременно - и, таким образом, выполнять вычисления параллельно. А поскольку количество комбинаций экспоненциально увеличивается с объемом памяти, квантовый компьютер должен быть экспоненциально быстрее своего классического аналога.
Эти игры разума стали чем-то большим, чем просто научное любопытство, когда американский математик Питер Шор разработал первый алгоритм для квантовых компьютеров в 1994 году: даже большие числа должны быть очень быстро разложены на их простые множители [2]. Эта факторизация требует очень много времени для обычных компьютеров, поэтому она формирует основу для распространенных методов шифрования. А с помощью алгоритма Шора квантовые компьютеры в принципе могли бы взломать такое шифрование.
Два года спустя Лов Гровер из Bell Labs в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси, разработал еще один алгоритм для квантовых вычислений. Это должно радикально ускорить поиск в огромных базах данных [3].
Эти, казалось бы, важные приложения не только быстро вызвали интерес ученых, но и высвободили финансовые ресурсы. В то время говорили, что через несколько лет первые квантовые компьютеры будут готовы к использованию. «Оглядываясь назад, это было наивно, - комментирует Хэнсон. Исследователи добились прогресса и разработали квантовые системы, приспособленные для решения конкретных задач. Но настоящая цель - универсальный цифровой квантовый компьютер, способный запускать любой алгоритм, - оказалась гораздо более сложной.
Чрезвычайная чувствительность квантовых систем создает серьезную проблему: малейшее внешнее воздействие означает, что кубит больше не находится во многих различных состояниях одновременно. Чтобы поддерживать такое состояние суперпозиции и, таким образом, иметь возможность использовать преимущества квантового компьютера, кубиты должны быть максимально защищены от внешнего мира и тщательно управляться - чрезвычайно сложная задача. Кроме того, они должны оставаться в состоянии суперпозиции намного дольше, чем занимает отдельный шаг расчета (обычно около микросекунды).
Чтобы преодолеть все эти препятствия, физики преследуют двоякую стратегию: с одной стороны, они продлевают жизнь кубитов и снижают их подверженность ошибкам, с другой стороны, они разрабатывают алгоритмы, корректирующие любые возникающие ошибки.
В качестве кубитов в настоящее время многие исследователи используют схемы микрометрового размера из сверхпроводников - эти материалы теряют электрическое сопротивление при очень низких температурах и проводят электричество без потерь. Благодаря квантовому явлению, называемому эффектом Джозефсона, носители заряда в таких цепях могут течь по крошечным петлям как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки одновременно - идеальные условия для кубита. Однако, по словам Мартини, реализовать такие схемы сложно: «Вы должны провести многолетние исследования, чтобы понять всю физику, стоящую за этим. После 10 лет, когда физики оттачивали конструкцию кубитов и изучали, как изолировать схемы от внешнего мира, его и другие группы продлили срок службы кубитов в 10 000-100 микросекунд и, найдя лучшие способы манипулировать своими кубитами и контролировать их во время вычислений, они также уменьшили погрешность.
В случае кубитов, основанных на спинах электронов или атомных ядер, продлить срок их жизни сложнее. Это связано с тем, что их спины легко переворачиваются магнитными полями соседних частиц. Однако в октябре 2014 года Андреа Морелло и Эндрю Джурак из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее, Австралия, объявили, что они могут обойти такие взаимодействия. Они встроили спиновые кубиты в очищенный кремний, который больше не содержал никаких магнитных изотопов этого элемента. Подготовленные таким образом кубиты просуществовали до 30 секунд [4].
Физик Алексей Китаев из Калифорнийского технологического института в Пасадене в 1997 году предложил более радикальный подход: кубиты из анионов [5]. Эти состояния материи возникают из-за коллективных свойств многих частиц, но ведут себя как одна частица. Некоторые анионы обладают особым свойством - их квантовое состояние позволяет кое-что узнать о ходе их недавних взаимодействий. Китаев утверждал, что, используя эти анионы в качестве кубитов, информация может быть закодирована последовательностью их взаимодействий. А поскольку информация распространяется практически по всей системе, эти кубиты обеспечивают естественную защиту от ошибок, возникающих в одном подмножестве.
Пока такие «топологические кубиты» являются лишь теорией. Но концепция настолько многообещающая, что Microsoft и ряд других компаний пытаются реализовать ее на практике в своих лабораториях.
Но даже с самыми нечувствительными кубитами ошибки неизбежны. В то время как они также происходят в обычных компьютерах, ошибки особенно проблематичны в квантовом компьютере, поскольку они экспоненциально увеличиваются с количеством кубитов. «Каким-то образом обойти это - одна из самых сложных задач при создании квантового компьютера», - говорит Дэвид Кори из Университета Ватерлоо в Канаде.
Квантовая физика говорит о некоторой форме квантовой коррекции ошибок. В обычных компьютерах такое исправление ошибок может быть достигнуто, например, просто путем создания и работы с несколькими копиями каждого бита. Потому что в зависимости от того, какой результат выдает большинство копий, выясняется, изменился ли позже один из битов с 1 на 0 или наоборот. Однако этот подход не работает в квантовом мире, потому что, как только вы копируете кубит, вы разрушаете его квантовое состояние. Ведь кубиты можно сравнивать друг с другом. Вот почему теоретики теперь пробовали методы исправления ошибок, которые запрашивают состояния разных пар кубитов. Из ответов - т. е. имеют ли пары одинаковые или разные значения - можно сделать вывод, неверны ли отдельные кубиты.
До недавнего времени кубиты обычно допускали примерно одну ошибку на каждые десять шагов расчета - большая проблема, поскольку доступные методы исправления ошибок были перегружены. «Теоретики говорят, что вам нужна средняя частота ошибок около одной ошибки на 100 000 арифметических операций», - сообщает Джон Мортон из Университетского колледжа Лондона. В апреле 2014 года Мартинис и его группа представили новый метод исправления ошибок: с помощью метода, известного как «поверхностный код», квантовая информация кубита распределяется по нескольким физическим кубитам [6] - аналогично тому, что Китаев предложил для топологических кубитов.. В своей публикации группа описывает, как они использовали эту технику для подготовки информации из пяти кубитов таким образом, чтобы система могла обрабатывать частоту ошибок до 1 на 100 шагов расчета. И команда Мортона, и другие физики [7] теперь могут достичь такой частоты ошибок.
Вперед и вверх
Уменьшенная подверженность Qubits ошибочности в сочетании со способностью кода обрабатывать ошибки радикально изменили перспективы для этой области, сказал Мортон. «Это захватывающее время, потому что теперь мы можем сосредоточиться на масштабировании систем», - говорит физик-экспериментатор.
Хэнсон из QuTech Center соглашается: «Фундаментальных препятствий больше нет». В настоящее время физик предлагает пять профессорских должностей в области электротехники и ищет 40 техников и ученых, чтобы перейти от лабораторных экспериментов к практическим приложениям. Есть еще несколько проблем, которые предстоит решить: исследователи должны найти способ создавать большие конфигурации кубитов, так называемые массивы кубитов, как управлять обработкой квантовой информации и считывать результаты, а также как соединить квантовую схему с классическая электроника на одном чипе.
И Хэнсон, и его коллега Ливен Вандерсипен, который работает в Делфте над внедрением спиновых кубитов в квантовые точки, то есть крошечные структуры из полупроводникового материала, хотят разработать массивы с 17 кубитами в ближайшие пять лет. По их словам, такое число необходимо, по крайней мере, для того, чтобы определить, работает ли процесс поверхностного кода так, как предполагалось. Кубиты должны работать без ошибок до тех пор, пока алгоритм не будет выполнен, а это может занять несколько часов. Для ученых это может означать распределение информации от одного виртуального кубита по 100 физическим кубитам. Однако каждый дополнительный кубит увеличивает сложность оборудования. Однако, как только одна из команд выяснила, как сделать несколько десятков физических кубитов, Хэнсон и Вандерсипен решили, что будет намного проще производить 100 кубитов для нескольких виртуальных кубитов. «Производство 100 или даже 1000 будет технически сложной задачей. Надеюсь, через десять лет мы будем говорить о сотнях кубитов», - говорит Вандерсипен.
Однако Маттиас Тройер из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе предупреждает, что цель сотен кубитов не будет легкой или дешевой. Предполагая, что производство квантовых чипов окажется не менее сложным, чем производство полупроводниковых чипов, физик-теоретик подсчитал, что их разработка, т. миллиард долларов США стоит долларов. Это поднимает важный вопрос, говорит Тройер: «Зачем вам это делать?»
В течение последних трех лет Тройер искал ответ - в виде убойного квантового компьютерного приложения, которое оправдало бы все затраты на разработку. По словам Тройера, двух классических примеров, то есть взлома шифрования и поиска в базах данных, недостаточно. Физик объясняет, что алгоритму Шора требуются тысячи кубитов для проведения серьезного анализа простых факторов. Кроме того, существуют формы шифрования, которые квантовый компьютер не может взломать. И даже если бы квантовые компьютеры могли выполнять поиск в базах данных быстрее, на ввод данных в систему ушло бы столько же времени, сколько и на классических компьютерах.
Тройер считает моделирование электронов в материалах и молекулах более стоящим приложением в ближайшем будущем. Сегодняшние суперкомпьютеры быстро перегружаются такой задачей. Сначала эта попытка также казалась безнадежной: по первым оценкам, квантовому компьютеру потребуется около 300 лет, чтобы смоделировать молекулярную динамику даже небольшой молекулы, такой как сульфид железа в белках ферредоксина, которые участвуют в фиксации азота в организме. растения. «Это определенно граничило с научной фантастикой, - признает Тройер. Но, переписав программное обеспечение, он сократил время вычислений сначала до 30 лет, а затем всего до 300 секунд [8]. «При классической обработке данных вы должны сесть и оптимизировать алгоритм, - говорит ученый. «То же самое верно и для квантового алгоритма».
По словам Тройера, около 400 кубитов можно использовать для исследования различных подходов к промышленной фиксации азота - в этом энергоемком процессе инертный атмосферный азот превращается в удобрение. В промышленных масштабах 116-летний процесс Габера-Боша все еще используется для реакции, которая потребляет около пяти процентов природного газа, добываемого во всем мире каждый год. По словам Тройера, квантовый компьютер мог бы помочь разработать гораздо более энергоэффективный катализатор, чем нынешние. «Для этого стоило бы построить квантовый компьютер», - резюмирует физик.
Другие убийственные приложения могут помочь в поиске новых высокотемпературных сверхпроводников или лучших катализаторов для отделения углерода от воздуха или промышленных выхлопных газов. «Все это важные задачи. Если здесь будет прогресс, вы легко сможете получить десять миллиардов вместе», - объясняет Тройер.
На данный момент, однако, Мартинис и другие ветераны в этой области предупреждают, что квантовая обработка информации все еще находится в зачаточном состоянии. Хотя индустрия в настоящее время интенсивно исследует его, ни у кого нет даже одного из этих калькуляторов, чтобы поиграть с ним. Квантовая обработка информации сегодня сравнима с обычной обработкой данных в годы после Второй мировой войны, говорит ученый, когда каждое устройство все еще было ручным лабораторным экспериментом.«Мы находимся где-то между изобретением транзистора и изобретением интегральной схемы», - резюмирует он.
Проект Google похож на стартап из Силиконовой долины, говорит Мартинис, хотя и с сильной финансовой поддержкой. После многих лет напряженной работы по совершенствованию кубитов он счастлив, что наконец-то смог сосредоточиться на создании квантового компьютера, способного решать реальные проблемы. «Google придумал новое название для ученых, работающих над аппаратным обеспечением: «квантовые инженеры», - сообщает Мартини. «Для меня это работа мечты».