Квантовое превосходство станет следующим этапом в развитии компьютеров

Уже сейчас многие компании стремятся первыми найти практическое применение квантовым компьютерам.

Гонка за первым практическим применением квантовых вычислений продолжается. Но текущие достижения меркнут, на фоне конечного потенциала технологии: привести в действие компьютер, способный справиться с любой проблемой с невероятной скоростью.

Многие в этой сфере считают, что менее амбициозная веха будет достигнута в течение двух лет, что вызывает стремление первыми вывести ее на рынок мейнстрима.

С 1982 года, когда физик Ричард Фейнман впервые изложил, как странные свойства квантовой механики могут быть использованы для революции в вычислениях, большая часть внимания была сосредоточена на точке, в которой квантовая система намного превосходит сегодняшние «классические» системы - нечто, известное как квантовое превосходство.

Google заявила, что достигла этого рубежа два года назад. Однако демонстрация не затрагивала практических задач - вычислений, которые было бы невозможно решить для классического компьютера, - и IBM и другие вскоре показали, что классические компьютеры можно адаптировать для противодействия некоторым предполагаемым преимуществам системы Google. С тех пор многие исследователи переключили свое внимание на что-то менее амбициозное.

Квантовое превосходство - это момент, когда система использует технологию, чтобы внести ступенчатые изменения в решение практической вычислительной задачи.

Первое практическое приложение, основанное на квантовом преимуществе, официально откроет квантовую эру, предсказал Питер Чепмен, исполнительный директор IonQ.

В 2021 году она стала первой компанией, занимающейся квантовыми вычислениями, которая будет зарегистрирована на Уолл-стрит. Он сравнил ее с программой электронных таблиц VisiCalc, которая в 1979 году одним махом «сделала ПК пригодным для бизнеса» и положила начало компьютерной эре.

По словам Мэтта Джонсона, исполнительного директора QC Ware, компании, производящей квантовое программное обеспечение, перспектива найти практическое применение этой технологии воодушевила отрасль в последние месяцы и вызвала конкуренцию за право быть первым.

«Задача состоит в том, чтобы одними из первых помочь корпоративным клиентам добиться квантового ускорения», - сказал он. Сдвиг в отрасли был вызван улучшениями квантовых аппаратных систем, о которых было объявлено в конце 2021 года, а также прогнозами в отношении систем, которые будут доступны через два года.

По словам Уилла Оливера, профессора Массачусетского технологического института, за последние два года аппаратное обеспечение улучшилось в 10 раз. Выступая на недавней конференции по практическим квантовым вычислениям Q2B в Кремниевой долине, эксперт сказал, что это подняло новый вопрос для отрасли: приближается ли она к созданию «коммерчески значимых алгоритмов».

Сегодняшние квантовые машины известны как системы NISQ, сокращение от «шумный квант промежуточного масштаба». Их количество квантовых битов или кубитов по-прежнему ограничено, и кубиты не могут удерживать свои квантовые состояния дольше нескольких микросекунд, что вносит ошибки или «шум» в вычисления. Тем не менее, по словам людей, работающих над этой технологией, даже они могут быть использованы для небольшого, но важного прогресса в решении реальных проблем. «Если использовать его для обнаружения рака, и может быть на 2 процента более высокий уровень обнаружения, то стоит ли использовать меньший процент для своих пациентов?» сказал Кристофер Савойя, исполнительный директор Zapata, компании, занимающейся квантовым программным обеспечением.

В ноябре IBM выпустила свою первую систему, использующую 127 кубитов, и подтвердила план действий, согласно которому, по ее словам, через два года этот показатель увеличится до более чем 1000 кубитов.

«Возможность продемонстрировать квантовое преимущество в ближайшие два года вполне возможна, - сказал Дарио Гил, руководитель отдела исследований IBM. Признавая, что «это открытый вопрос», удастся ли преодолеть оставшиеся технические проблемы, он сказал, что аппаратные достижения и улучшения в разработке алгоритмов открыли путь к снижению шума в сегодняшних системах до уровня, при котором они могут быть полезны. Другие говорят, что они идут по тому же пути.

Rigetti Computing, стартап, который планирует стать публичным через продажу специализированной компании по приобретению, в декабре анонсировал 80-кубитную систему, основанную на новой модульной конструкции, объединяющей два 40-кубитных процессора. Используя эту новую архитектуру, «мы ожидаем, что в 2024 году у нас будет система из 1000 кубитов, а в 2026 году - 4000 кубитов», - сказал Чад Ригетти, исполнительный директор компании. «Мы ожидаем, что эти системы проведут нас через этапы узкого, а затем и широкого квантового преимущества».

Новейшее оборудование, хотя само по себе не способно поддерживать прорывные приложения, предоставит исследователям более мощные инструменты. По его словам, это ускорит понимание того, как программировать практические системы. IBM заявила, что у нее используется 27 квантовых систем, и что 170 организаций, в том числе многие компании, теперь используют их для исследований.

«Наши машины сейчас работают с такой скоростью, масштабом и производительностью, что они могут кодировать и представлять практические примеры проблем, а не тестовые экземпляры», - сказал Ригетти. Это позволило сравнить их производительность при решении практических задач с самыми быстрыми классическими компьютерами на сегодняшний день, что дало исследователям первое реальное понимание пути к квантовому преимуществу, добавил он.

Одно из широко ожидаемых применений квантовых компьютеров - моделирование сложных молекул, открывающее путь к прорывам в таких вещах, как открытие лекарств и новые технологии аккумуляторов, - вероятно, выйдет за рамки первых практических систем, по мнению экспертов в этой области. Если не наступит «момент эврики», компьютеры, способные к такого рода симуляциям, появятся как минимум через три года, сказал Ильяс Хан, исполнительный директор Quantinuum, компании, образованной в результате недавнего слияния Cambridge Quantum и подразделения квантовых вычислений Honeywell. Кроме того, предполагается, что в краткосрочной перспективе основное внимание переключится на попытки использовать квантовые системы в тандеме с классическими компьютерами для улучшения машинного обучения - техники, лежащей в основе большей части современного искусственного интеллекта.

По словам Ригетти, огромные наборы данных, которые уже существуют для поддержки машинного обучения, вместе с масштабом и сложностью проблем сделали эту область созревшей для квантового прорыва.

Недавняя работа по разработке более эффективных квантовых алгоритмов была сосредоточена на таких вещах, как решение задач оптимизации и выделение единственного элемента из большого набора данных - методы, которые можно было бы использовать для лучшего моделирования погоды или для выявления потенциального мошенничества с кредитными картами. Goldman Sachs был одним из банков, которые работали над использованием этой технологии для улучшения ценообразования на опционы, в то время как Volkswagen исследовал способы оптимизации своих производственных процессов.

Будь то первое практическое использование квантовых вычислений в одной из этих компаний, или в одном из других банков, фармацевтических компаний или производителей, пытающихся применить эту технологию, мало кто сомневается в том, что гонка за квантовое преимущество уже началась.