До практического применения этих причудливых машин остаются годы.
IBM удвоила производительность своих квантовых компьютеров по сравнению с прошлогодней моделью, что является ключевым шагом в реализации обещаний по созданию революционных машин. Но это только начальный шаг, и соперники дышат Big Blue в шею.
Фундаментальный элемент обработки данных в квантовом компьютере называется кубитом, и лучше иметь их больше. Однако они, как известно, привередливы, потому что внешние воздействия, такие как тепло, легко их возмущают и сбивают с толку квантовые вычисления. Чтобы лучше всего измерить производительность, IBM создала тест, называемый квантовым объёмом, который предназначен для отражения как количества кубитов в квантовом компьютере, так и того, сколько работы он фактически выполняет.
В 2019 году IBM достигла квантового объема 32. В этом году он достиг 64, добавив второй год к своему плану по удвоению квантового объёма ежегодно. Этот экспоненциальный темп улучшений важен для того, чтобы сделать современные квантовые компьютеры более полезными и поддерживать интереса достаточно долго, чтобы квантовые компьютеры стали действительно практичными за пределами современных ориентированных на исследования машин.
Квантовые вычисления не заменят классический дизайн ноутбуков, серверов, умных часов и смартфонов. Но если они выполнят своё предназначение, они смогут решать проблемы, совершенно недоступные для сегодняшних компьютеров. Это включает разработку новых материалов на молекулярном уровне, лекарств и химических процессов, таких как производство удобрений, более быструю доставку посылок с автопарком и более выгодные инвестиционные портфели.
Эта технология достаточно важна, чтобы запустить крупные, рассчитанные на годы инвестиционные программы технологических гигантов, таких как IBM, Google, Intel и Microsoft, а также стайки стартапов и одного интересного игрока, пытающегося вернуть себе место в компьютерной индустрии, – Honeywell. Однако еще рано: IBM является лидером на рынке, и сейчас у неё работает всего 22 машины при 18 квантовых компьютерах в мае.
Гонка квантовых вычислений продолжается
Ранее в этом году Honeywell заявила, что опередила IBM, достигнув отметки в 64 квантового объема. Эта область является коллегиальной и отчасти академической, но этот шаг сигнализирует о том, что в игру вступает традиционная динамика вычислительной индустрии. Сейчас идет гонка за самый быстрый квантовый компьютер.
Что отличает конкуренцию квантовых вычислений от большинства конкурентов в отрасли, так это то, что конкуренты используют совершенно разные подходы. Это похоже на гонку, в которой лошадь против автомобиля, самолет против велосипеда.
В продукте IBM, как и в квантовых компьютерах Google, используется конструкция с суперкомпьютерными кубитами, охлаждёнными на долю градуса выше абсолютного нуля – холоднее космоса. Кубиты Honeywell упакованы иначе – как в «ловушку», в которой находятся ионы. Идея Intel, не столь зрелая, использует электроны в качестве кубитов, используя квантово-механическое свойство, называемое спином. Microsoft надеется обойти ненадёжность кубитов с помощью подхода, называемого топологическими кубитами.
Однако всем им нужны кубиты. Там, где обычные компьютерные биты могут находиться в одном из двух состояний, ноль или один, кубиты могут записывать комбинацию обоих состояний с помощью явления квантовой физики, называемого суперпозицией. Другой, называемый запутанностью, связывает состояния нескольких кубитов, что позволяет квантовому компьютеру фактически обрабатывать гораздо более крупные возможные комбинации единиц и нулей.
Программисты управляют работой квантовых компьютеров, изучая состояния своих кубитов с помощью последовательности преобразований, называемых вентилями. В идеале это подталкивает их к ответу на конкретный вопрос, хотя не все вычислительные задачи поддаются такому подходу.
Еще кубитов, пожалуйста
В современных квантовых компьютерах не так много кубитов – всего 27 кубитов на чипе квантовых вычислений Falcon, который IBM использовала для своего теста производительности квантового объёма. Но на подходе ещё больше, в том числе модернизация 53-кубитной системы Hummingbird.
«Вскоре мы выпустим вторую версию IBM Quantum Hummingbird, которая значительно улучшит первую версию», – сказал Джей Гамбетта, вице-президент IBM Quantum и соавтор статьи, в которой подробно описывается, как IBM достигла квантового объёма 64. Он добавил, что этот подход IBM будет масштабировться за счёт объединения нескольких квантовых процессоров.
Упаковка большего количества кубитов и поддержание их стабильности имеет решающее значение для успеха квантовых вычислений. Они настолько непостоянны, что современные разработчики думают, что десятки или более реальных кубитов должны быть объединены в отдельные «логические» кубиты, которые могут коллективно противостоять вычислительным ошибкам. Самый минимум – миллион или около того.
Intel опробовала сверхпроводящий подход IBM с процессором 2018 года, сказал директор Intel по аппаратному обеспечению квантовых вычислений Джим Кларк в своём выступлении на конференции по процессорам Hot Chips на этой неделе. Но этот чип такой же большой, как и обычный серверный чип, что делает его дорогим, сказал он. Intel остановилась на спиновых кубитах, потому что в чип можно поместить гораздо больше кубитов.
Honeywell также утверждает, что его конструкция ионной ловушки будет вмещать множество кубитов, частично по той причине, что она планирует увеличивать объём квантования в 10 раз каждый год – намного быстрее, чем темпы IBM.
Гамбетта не списывает конкурентов со счетов, но сказал, что они должны проявить себя. «Мы до сих пор не видели полной, стабильной и доступной системы, использующей спиновые кубиты». Что касается Honeywell, Гамбетта хотела бы видеть документ, в котором подробно описываются характеристики всей её системы, а не только отдельные элементы.
Осложнения контроля
Одна из трудностей заключается в том, что между управлением кубитами и их разрушением есть тонкая грань. Вот почему сегодня квантовыми компьютерами управляют удалённо. Обычные компьютеры отправляют управляющую информацию кубитам и считывают ответы через громоздкую связку кабелей.
В Hot Chips исследователи Intel и Microsoft заявили, что надеются разработать технологию, которая улучшит этот контроль, переместив его на отдельный процессор, близкий к чипу квантовых вычислений, в котором размещены кубиты.
По словам Кларка, Intel создала свой управляющий чип первого поколения под названием Horse Ridge и работает над Horse Ridge 2.
Microsoft также занимается проблемой контроля. По словам Дэвида Рейли, директора отдела квантовой работы Microsoft в Сиднее, уловка будет заключаться в том, чтобы вставить управляющий чип, не вызвав дополнительного нагрева. Если бы у вас был квантовый компьютер с миллионом кубитов, каждый из которых получал бы инструкции миллион раз в секунду, для этого потребовался бы управляющий чип, который мог бы обрабатывать триллион битов данных в секунду, а это означает, что этот чип выделяет при работе довольно много тепла.
Впереди годы новых экспериментов в области квантовых вычислений, поскольку исследователи попытаются выбрать правильный дизайн квантовых вычислений.
«Я лично считаю, что нам ещё предстоит найти идеальную платформу», – сказал Рейли.