Эксперты рассказали, что ускорит создание квантового компьютера

Полнофункциональные квантовые компьютеры и новая квантовая промышленность могут появиться гораздо раньше, чем ожидалось, сообщает издание Scientific American.

Министерство энергетики США объявило о создании пяти новых национальных исследовательских центров квантовой информатики. Это определено законом О Национальной квантовой инициативе, подписанном в декабре 2018 года и предусматривающем финансирование в размере 625 миллионов долларов в течение пяти лет.

Впервые исследователи из академических кругов, национальных американских лабораторий и промышленности будут работать бок о бок, стремясь ускорить фундаментальные исследования в области квантовой информатики. Дальнейшие исследования должны приблизить человечество к передовым квантовым технологиям и самой грандиозной цели квантовой информатики – созданию устойчивого к ошибкам квантового компьютера, который способен бесконечно вычислять без сбоев.

Квантовые компьютеры нужны для ускорения процесса научных открытий. Они позволят эффективно решать некоторые из самых глобальных проблем людей: от разработки новых материалов для более эффективных установок улавливания углерода и батарей до более совершенных лекарств и вакцин. Традиционно создание материалов и лекарств во многом зависело либо от счастливых случайностей, либо от проведения долгих и утомительных опытов. За последние полвека классические компьютеры значительно ускорили этот процесс с помощью молекулярного моделирования. Тем не менее, классические компьютеры не могут моделировать сложные молекулы с достаточной точностью, и именно здесь смогут помочь квантовые вычисления.

Квантовые компьютеры для манипуляций с информацией будут полагаться на те же физические правила, что и атомы. Как традиционные компьютеры выполняют логические алгоритмы для запуска программ, квантовые компьютеры будут использовать физические явления суперпозиции, запутанности и интерференции для выполнения квантовых алгоритмов. В один прекрасный день они смогут выполнять математические вычисления, не доступные самым передовым современным и будущим классическим суперкомпьютерам.

Создание квантового компьютера, способного вычислять без ошибок – сложная задача. В работе квантового компьютера используются хрупкие кубиты (сокращение от «квантовые биты»), которые могут использоваться только тогда, когда они находятся в тонком квантовом состоянии. Любые внешние возмущения или «помехи», такие как тепло, свет или вибрации, неизбежно вырывают кубиты из квантового состояния и превращают их в обычные биты. Для того, чтобы справиться с этой задачей, необходимы десятки ученых из различных академических кругов, лабораторий и промышленности. 

Возьмем задачу построения квантовой системы, способной вычислять без ошибок. По самым оптимистичным прогнозам, для этого людям придется построить машины с десятками миллионов кубитов на одном охлаждаемом чипе. Однако охлаждать квантовые чипы размером с футбольное поле довольно затруднительно. Чтобы избежать этого, потребуется совершить множество технологических прорывов. Это, в свою очередь означает необходимость масштабных инвестиций в исследования. К счастью, последние данные показывают, что можно уменьшить количество кубитов, необходимых для выполнения кодов исправления ошибок.

На пути создания квантовых компьютеров стоит и другое препятствие: нужно связать квантовые процессоры, точно так же, как мы соединяем современные компьютерные чипы в дата-центрах с помощью интранет. Это требует создания квантовой сети, которая сможет трансформировать хранящуюся в хрупких кубитах процессора информацию в другой формат (скажем, в фотоны), и передавать ее другим процессорам. Здесь должны быть объединены такие разрозненные технологии, как сверхпроводящие кубиты и волоконная оптика, и решено множество сложных задач в областях материаловедения и квантовых связей.

Вероятно, отдельные исследовательские группы бы могли решить все эти проблемы, однако процесс займет десятилетия, а человечество не может ждать так долго. Партнерство и сотрудничество в новых центрах дадут шанс совершить необходимый «квантовый скачок».

Теперь все зависит от партнеров, которые принимают участие в этой совместной работе. Для создания квантового компьютера человечеству понадобится много ума, таланта, творчества и энтузиазма от квалифицированной и разнообразной квантовой рабочей силы.