Кот Шредингера, который гуляет сам по себе... и спасает квантовые технологии

Представьте себе компьютер, за минуту решающий задачи, на которые у обычных ЭВМ ушли бы тысячелетия. Но есть одна огромная проблема: пока вы прочитали эти три строчки, умная машина сделала уже миллион ошибок. Позвольте представить, перед вами новейший квантовый компьютер. Да-да, тот самый, на кубитах.

О ПК «на квантах» много говорят последние несколько лет, но на самом деле это далеко не новая тема, а принципы ее были придуманы еще в 80-х годах прошлого века. Ученые десятилетиями бьются над тем, как сделать так, чтобы квантовый компьютер меньше ошибался.

Кванты с проблемами

И только сейчас Amazon Web Services (AWS) сделал по-настоящему важный шаг к решению этой проблемы. Их новый квантовый чип «Оцелот» использует «кошачьи кубиты» — технологию, вдохновленную… котом Шредингера.

Судя по последним публикациям в интернете, квантовые компьютеры — это своего рода панацея и спасение человечества. И лекарство от смертельной болезни создадут, и мегасуперсложный шифр на раз-два взломают. Правда, есть нюанс. Такие вычислительные машины очень-очень-очень капризны.

Причина этого — те самые кубиты, квантовые биты. В отличие от классических битов (которые могут быть либо 0, либо 1), кубиты существуют в суперпозиции — одновременно в двух состояниях. С одной стороны, это дает просто колоссальную мощность, с другой — кубиты практически беззащитны даже перед самыми незначительными помехами. Вибрация, тепло, излучение из другой галактики — все это заставляет квантовые компьютеры делать множество ошибок.

Тут, наверное, стоит прибегнуть к аналогиям. Допустим, вы купили ноутбук, а у него обнаружилось неожиданное свойство — он выключается, если слегка постучать по столу. Примерно такая же ситуация с кубитами. Подсчитано, квантовые ПК дают одну ошибку на 1000 операций. Для сравнения, обычный «комп» сбоит один раз на триллион. Неудивительно, что квантовые вычисления «ломаются» намного раньше, чем дают хоть какой-то результат.

Имя им — миллион ошибок…

Квантовые ошибки — это отдельная песня. Первый тип — это переворот бита, когда 0 становится 1 или наоборот. Такие сбои, кстати, бывают на обычных компьютерах.

Второй тип — это переворот фазы. Уникальная, присущая только квантовым ПК ошибка, когда кубит переворачивается на 180 градусов.
Чтобы хоть как-то справиться с ошибками, ученые придумали так называемые логические кубиты. Это группы физических кубитов, которые дублируют информацию.

Вроде бы хорошо, но тут появляется совсем другая проблема. Чтобы в ПК был хотя бы один надежный логический кубит, надо задействовать тысячи физических. Эксперты называют такое строительством небоскребов из песка — очень дорого, невероятно сложно и абсолютно ненадежно.

Именно поэтому некоторые ученые считают квантовые компьютеры тупиком в развитии вычислительной техники. Логика в таких рассуждения есть: чтобы достигнуть «квантового превосходства» (когда квантовый компьютер решит задачу, недоступную классическому) потребуются миллионы кубитов. Современные системы, вроде процессоров IBM или Google, имеют лишь сотни. Даже если их масштабировать, энергопотребление и размеры станут астрономическими.

Поэтому пока в мире квантовых компьютеров не появится стабильность, они так и останутся лабораторными диковинками. И вот тут на сцене и появился AWS со своим «Оцелотом».

Кот Шредингера в микросхеме

Сами разработчики называют свое изобретение «кошачьими кубитами». И это вовсе не метафора. Новая технология напрямую связана с легендарным мысленным экспериментом, когда кот в коробке ни жив, ни мертв. AWS и французский стартап Alice & Bob использовали эту идею для создания кубитов, устойчивых к ошибкам.

В чем же отличие от обычных кубитов? Обычные сверхпроводящие кубиты могут находиться в суперпозиции 0 и 1. А «кошачьи» — в двух состояниях одновременно, то есть могут быть и 0, и 1 сразу, используя фотоны.

При этом чем больше частиц света в системе, тем стабильнее кубит. Дополнительные фотоны выступают в роли толстого одеяла, которое гасит внешние помехи. Поэтому дополнительная энергия, увеличивающая количество фотонов, сильно улучшает работу чипа «Оцелот», на порядок снижая ошибки, связанные с переворотом битов. К примеру, кошачий кубит живет одну секунду, что в 1000 раз дольше жизни «классических» кубитов.

В тестах «Оцелот» сразу же показал свое удивительное превосходство. При запуске кода на трех «кошачьих кубитах» ошибки составили 1,72%, на пяти — 1,65%. С добавлением четырех корректирующих кубитов система из девяти компонентов продемонстрировала результат, который был сопоставим с 49 обычными кубитами.

«Не надо увеличивать число кубитов, нужно умнее использовать энергию», — говорят инженеры AWS, и с ними не поспоришь.

Ждать осталось недолго

На данный момент «Оцелот» пока нельзя назвать готовым квантовым ПК. Это прототип, который позволит создавать квантовые вычислители как минимум в 10 раз дешевле, проще и меньше.

Последнее весьма важно. Меньше кубитов — меньше энергии на охлаждение. Нынешние квантовые чипы могут работать только при температуре, близкой к абсолютному нулю. Поддержание такого холода влетает в копеечку, и это еще мягко сказано.

Кроме того, «Оцелот» — очень компактный, размером с ноготь. Такие чипы гораздо проще объединять в большие системы.

Ну, и, конечно, меньше компонентов — дешевле производство.

Конкуренты, IBM и Google, напротив, делают ставку на количество числа кубитов. К примеру, процессор IBM Condor работает аж на 1121 кубите. В AWS говорят, что это совершенно бессмысленная затея. Зачем гнаться за количеством, если проблемы ошибок вообще не решены?

Что касается квантовых компьютеров на чипах «Оцелот», тут инженеры AWS очень осторожны. Однако если все пойдет хорошо, то первые квантовые «кошачьи» квантовые компьютеры с коррекцией ошибок мы увидим уже через 10 лет. А может быть, и раньше.

Пока что квантовые вычисления находятся в зачаточном состоянии, однако «Оцелот» показывает: прорыв возможен. И, возможно, именно коты Шредингера помогут нам его достичь.

Источник: Вслух