В надпреварата за създаване на функциониращ квантов компютър – финалната линия може вече да е на хоризонта.

Поредица от скорошни технологични пробиви води до представата, че водещи компании се състезават да станат първите, които ще разширят досегашните лабораторни експерименти до пълноразмерни, работещи системи.

През юни IBM стана поредната компания, която заяви, че пътят ѝ към машина в пълен мащаб вече е ясен, след като публикува план за квантов компютър, запълващ ключови липсващи елементи от по-ранни проекти.

Квантовите компютри имат потенциала да решават задачи, които са извън възможностите на днешните машини, в области като науката за материалите и изкуствения интелект.

„Вече не се усеща като мечта“, казва Джей Гамбета, ръководител на квантовата инициатива на IBM, пред Financial Times.

„Наистина чувствам, че разкодирахме проблема и ще можем да построим тази машина до края на десетилетието.“

Големият ход на Силициевата долина е комбинацията между квантови технологии и AI

Това засили надпреварата с Google, която твърди, че също е напът да изгради индустриален квантов компютър до края на десетилетието.

„Всички оставащи инженерни и научни предизвикателства са преодолими“, казва Джулиан Кели, ръководител на хардуера в Google Quantum AI.

И все пак, дори когато оставят зад гърба си някои от най-трудните научни проблеми и се готвят за финален спринт, компаниите все още се сблъскват с редица рутинно звучащи, но все така трудни инженерни задачи, за да индустриализират технологията.

Оставащите препятствия „изглеждат технически по-малко предизвикателни от фундаменталната физика, но не бива да подценяваме инженерните усилия за мащабиране“, казва Оскар Пейнтър, отговарящ за квантовия хардуер в Amazon Web Services. Той прогнозира в интервю за FT, че полезен квантов компютър все още е на 15–30 години разстояние.

Преминаване към индустриален мащаб

Достигането на индустриален мащаб означава системи с по-малко от 200 кубита – основните градивни блокове на квантовите машини – да се разширят до 1 милион кубита или повече. Компаниите сравняват това с ранните дни на конвенционалните компютри, макар че квантовите носят допълнителни предизвикателства.

Сред най-трудните е присъщата нестабилност на кубитите, които запазват квантовите си състояния – когато могат да извършват полезни изчисления – само за части от секундата. Това води до декохерентност или „шум“, който се увеличава при добавянето на все по-голям брой кубити.

Ясен пример за ограниченията при мащабиране се появи, когато IBM увеличи броя кубити в експерименталния си чип Condor до 433, което доведе до „кръстосани смущения“ (crosstalk) между компонентите.

Подреждането на голям брой кубити „създава странен ефект, който вече не можем да контролираме“, казва Субодх Кулкарни, главен изпълнителен директор на Rigetti Computing – американски стартъп, който също работи с кубити от свръхпроводници, същата технология, използвана от IBM и Google.

„Това е неприятен проблем за решаване.“

Краен срок 2030: Задава ли се квантов „Ден на Страшния съд”?

От индивидуално „настройване“ до масово производство

В първите експериментални системи кубитите са били „настройвани“ индивидуално, за да се подобри работата им. Сложността и цената правят това непрактично в голям мащаб, което води до търсене на по-надеждни компоненти – нещо, което ще изисква постоянни подобрения в производството и нови пробиви в материалите.

Google също заявява, че цели да намали цената на компонентите десет пъти, за да достигне целта от 1 милиард долара за машина в пълен мащаб.

Компаниите казват, че техните системи ще могат да толерират известна степен на несъвършенство в кубитите благодарение на техника, известна като корекция на грешки.

Тя работи чрез копиране на данни между няколко кубита, създавайки излишък, който се задейства, когато даден компонент се повреди.

Досега само Google е демонстрирала квантов чип, способен да извършва корекция на грешки при увеличаване на размера. Според говорител на Google всяка компания, която се опита да мащабира, без да е постигнала това, би завършила с „много скъпа машина, която изкарва шум, харчи енергия, поглъща времето на много хора и инженерни усилия и не носи никаква стойност“.

IBM твърди, че е фокусирана върху най-важното предизвикателство – да покаже, че може да оперира система в много голям мащаб, и поставя под въпрос дали подходът на Google към корекцията на грешки ще работи в пълноразмерна система.

Техниката, използвана от Google – повърхностен код – работи чрез свързване на всеки кубит в двумерна решетка със съседите му. Това изисква относително голям брой кубити, които да работят заедно, и предполага достигане на 1 милион кубита или повече за полезни изчисления.

Microsoft е решила да не преследва подобен дизайн, след като е преценила, че изграждането на машини с 1 милион кубита носи твърде много инженерни предизвикателства.

IBM преминава към различна форма на корекция на грешки – код с ниска плътност на контрол (low-density parity-check code) – за която твърди, че ще изисква с 90% по-малко кубити от подхода на Google. .

Последният дизайн на IBM изглежда способен да произведе работеща машина в голям мащаб, казва Марк Хорват, анализатор в Gartner, но добавя, че този подход все още съществува само на теория.

„Те трябва да покажат, че могат да произвеждат чипове, които го правят“, добавя той.

IBM работи по първия квантов компютър, устойчив на грешки

Общи препятствия

Независимо от дизайна, компаниите се сблъскват с множество общи инженерни предизвикателства.

Те включват намаляване на „гнездото от кабели“, характерно за ранните квантови системи, чрез намиране на нови начини за свързване на голям брой компоненти в един чип, а след това и свързването на няколко чипа в модули.

Също така ще са нужни много по-големи специализирани охладители, за да се поберат пълноразмерни системи, които работят при изключително ниски температури.

Подобни проблеми подчертават основни дизайнерски решения, които могат да се окажат критични при мащабиране. Системите, използващи свръхпроводници за кубити – като тези на Google и IBM – показват едни от най-големите напредъци, макар техните кубити да са по-трудни за контрол и да трябва да работят при температури, близки до абсолютната нула.

Конкурентни системи, които използват атоми като кубити – известни като уловени йони и неутрални атоми – или такива, които използват фотони, обещават да бъдат по-стабилни по природа. Но те имат други препятствия – трудност при свързване на клъстерите от кубити в по-големи системи и по-бавна изчислителна скорост.

Цената и техническите предизвикателства при мащабирането вероятно ще покажат кои технологии са по-практични.

Един знак за растящия официален интерес е, че миналата година Darpa – агенцията за напреднали изследователски проекти на Пентагона – започна широк анализ на различни квантови компании с цел да определи кои биха могли най-бързо да бъдат разширени до практичен мащаб.

Междувременно няколко компании наскоро представиха радикално нови дизайни на кубити, за които твърдят, че ще бъдат по-лесни за контрол.

Сред тях са Amazon и Microsoft, които заявяват, че са овладели състояние на материята, за да създадат по-надеждни компоненти. Тези технологии са на много ранен етап, но поддръжниците им твърдят, че в крайна сметка ще изпреварят останалите.

Това обаче не е забавило компаниите, които използват по-стари техники, разработвани от години.

„Само защото е трудно, не означава, че не може да се направи“, казва Хорват от Gartner, обобщавайки увереността, която подхранва индустриалната надпревара за мащабиране.