Google создает квантовый компьютер на базе сверхпроводящих кубитов

Ведущий инженер Google Эрик Люсеро недавно сообщил, что в 2029 году компания намерена начать производить коммерческие версии квантовых компьютеров. Мы попросили прокомментировать это громкое, по мнению некоторых экспертов, заявление доктора Маркуса Хоффманна, отвечающего за программу сотрудничества в сфере квантовых вычислений Google.

— На чем основана уверенность ваших коллег в близком коммерческом будущем квантовых процессоров?

— Коммерческий квантовый компьютер — ​огромный и сложный проект, и поэтому необходимы краткосрочные цели, достижение которых покажет, в правильном ли направлении ведется работа. Множество компаний инвестируют в такие проекты огромные средства, и важно на ранней стадии понимать, может ли квантовый компьютер выполнять высокопроизводительные вычисления и есть ли физические аспекты, которые могут этому помешать. Наша команда уже сделала несколько важных шагов. Например, мы показали, что квантовые компьютеры могут выполнять задачи, недоступные обычным компьютерам.

В 2019 году мы провели эксперимент, ознаменовавший важный для нас этап. Его результаты помогли понять, как преодолеть многие технические трудности при разработке квантовых систем и сделать компьютер программируемым и мощным. Чтобы проверить общую производительность системы, мы выбрали контрольный вычислительный показатель, который дает положительный результат, только если все компоненты компьютера работают достаточно хорошо.

В рамках эксперимента мы разработали 54‑кубитный процессор под названием Sycamore, состоящий из быстрых высокоточных квантовых логических вентилей, и протестировали его производительность. Наш компьютер выполнил целевое вычисление за 200 секунд. Чтобы получить аналогичный результат, самому быстрому суперкомпьютеру в мире понадобилось бы 10 тыс. лет. Мы показали, что при решении конкретной задачи квантовый компьютер экспоненциально производительнее.

Сейчас наша команда исследует, в каких сферах использовать квантовые вычисления. В будущем мы дадим возможность использовать наши процессоры партнерам, ученым-исследователям и компаниям, которые разрабатывают алгоритмы для процессоров и исследуют возможности их применения. Также мы инвестируем в наших специалистов и технологии, чтобы как можно быстрее создать отказоустойчивый квантовый компьютер. Недавно на конференции Google I/O мы рассказали о новом кампусе Quantum AI в Санта-­Барбаре. Там находятся лаборатории квантового оборудования и наш первый квантовый дата-центр. Там же мы производим чипы для квантовых процессоров. Впереди много работы, но пройден значительный путь, и теперь четко понятно, что делать дальше.

— Есть ли сейчас у Google квантовый компьютер?

— Да, в нашем новом квантовом центре обработки данных их несколько. Они основаны на процессоре Sycamore. Этот процессор недавно использовался в экспериментах с применением метода Хартри — ​Фока в химии, алгоритма квантовой приближенной оптимизации (QAOA), а также методов машинного обучения.

— Чего не хватает ученым сегодня, чтобы создать полноценно работающий квантовый процессор?

— Оборудования. В рамках проекта Google Quantum AI мы должны создать квантовый компьютер на базе сверхпроводящих кубитов. Надо за ближайшие 10 лет произвести 1 млн физических кубитов, которые будут согласованно работать. Такой компьютер займет целую комнату. Но с точки зрения производительности мы достигнем большого прогресса по сравнению с современными 100‑кубитными системами.

Нам нужно показать, что один логический кубит можно запрограммировать с помощью 1 тыс. физических. Создание такого вечного кубита, обеспечивающего когерентность до отключения питания, положит начало эпохе квантовых вычислений. Повторюсь, для этого потребуется еще несколько лет скоординированной работы.

Когда мы этого добьемся, нашей целью станет создание двух логических кубитов, которые вместе будут выполнять квантовые операции, используя метод квантовой коррекции. После этого нужно будет понять, как из сотен и тысяч таких кубитов сложить квантовый компьютер с исправленными ошибками. Это займет еще какое-то время. В первую очередь нам нужно показать, что чем больше физических кубитов участвует в коррекции, тем меньше становится ошибок. Это очень важно, так как физические кубиты часто ошибаются.

— Что, на ваш взгляд, даст создание квантового компьютера человечеству?

— Он ускорит решение самых важных проблем, связанных, например, с обеспечением всего мира доступной энергией и со снижением выбросов парниковых газов. Позволит моделировать материалы для создания более энергоемких аккумуляторов. Можно будет повысить энергоэффективность производства удобрений, что значительно снизит выбросы углекислого газа в атмосферу. Он, вероятно, даст толчок научным открытиям, например в области искусственного интеллекта.

СПРАВКА

Квантовые компьютеры используют кубиты (квантовые биты) для обработки информации. Каждый кубит представляет собой квантовую систему, в которой есть двумерное пространство состояний. Проще всего представить его в виде сферы, где состояние кубита определяется двумя углами-координатами. С двумя кубитами размерность пространства увеличивается в два раза, возникает четырехмерное пространство, с тремя — ​восьмимерное и т. д. Если для увеличения мощности в два раза в обычном компьютере придется увеличить в два раза количество транзисторов, то для квантового компьютера достаточно добавить один кубит.

В квантовых симуляторах управляемые кубиты моделируют поведение реальных квантовых объектов.

Логический кубит абстрактен, его можно использовать для программирования с помощью симулятора, работающего на обычном компьютере, чтобы разрабатывать и отлаживать квантовые алгоритмы. Физический кубит — ​это квантовая реализация кубита. Их можно создавать на базе разных физических объектов, например сверхпроводящих пластин.