Раньше, чем ожидалось? Полезная квантовая коррекция ошибок обещана к 2028 году.

В других областях, помимо классического квантового оборудования, классический вычислительный потенциал дает отпор.

Базовая схема аппаратного обеспечения Libra, проходящего тестирование компанией QuEra. Источник: QuEra. Базовая схема аппаратного обеспечения Libra, проходящего тестирование компанией QuEra. Источник: QuEra

Новости в области квантовых вычислений обычно активизируются ближе к концу года, когда компании пытаются доказать, что они достигают поставленных целей в срок. Однако в этом году с началом лета появились интересные объявления — от постепенного прогресса до броских обещаний. Как и ранее в этом месяце, Ars подготовил обзор некоторых из наиболее значимых объявлений.

Среди них – обещание полезных квантовых вычислений с коррекцией ошибок уже к 2028 году, подробности об обновленном процессоре на основе захваченных ионов, а также случай, когда заявления о квантовом превосходстве несколько смягчились благодаря достижениям в более традиционных алгоритмах.

2028 год наступит удивительно скоро.

Многие специалисты в этой области считают, что по-настоящему полезные квантовые компьютеры появятся примерно через пять-десять лет. Хотя некоторые полезные алгоритмы могут быть запущены на существующем, подверженном ошибкам оборудовании, почти все интересные задачи, к которым можно применить квантовые вычисления, потребуют той или иной формы коррекции ошибок, обеспечиваемой объединением небольшого набора аппаратных кубитов в так называемый логический кубит. Логические кубиты включают в себя избыточное хранение информации вместе с соседними кубитами, которые можно измерить, чтобы определить, когда возникают ошибки и как их исправить.

Для выполнения полезных вычислений требуется значительное количество логических кубитов — примерно 100 для создания полной модели поведения простых химических веществ и десятки тысяч для выполнения сложных алгоритмов, таких как тот, который может взломать шифрование. (Таким образом, любое определение «полезного» сопровождается важной оговоркой: «для кого?»). Это означает, что как минимум нам понадобятся тысячи высококачественных аппаратных кубитов для создания полезной машины с коррекцией ошибок.

В настоящее время существующие технологии кубитов предлагают либо высокое качество, либо большое количество кубитов. Существуют планы дальнейшего развития, но они требуют нескольких лет постепенного прогресса. Отсюда и оценки в пять-десять лет.

В понедельник Amazon и QuEra заявили, что достигнут цели через два года. «К 2028 году мы предоставим нашим клиентам Libra — устройство мегаквотного масштаба, способное выполнять миллион квантовых операций на сотнях логических кубитов, что позволит впервые применить полученные знания в квантовой химии, физике высоких энергий и моделировании материалов, недоступные сегодня для классических и шумных квантовых компьютеров промежуточного масштаба (NISQ)», — говорится в заявлении Amazon.

В настоящее время эти клиенты имеют доступ к ряду различных технологий квантовых вычислений через облачный сервис Braket. Libra — это оборудование, которое будет предоставлено компанией QuEra, стартапом из Бостона, занимающимся квантовыми вычислениями на основе нейтральных атомов путем обмена персоналом и долгосрочным соглашением об интеллектуальной собственности с исследовательскими группами Гарвардского университета и Массачусетского технологического института.

Квантовые вычисления на нейтральных атомах основаны на нашей способности использовать лазеры для охлаждения отдельных атомов и их удержания в сетке перекрывающихся световых лучей, при этом кубит хранится в спине ядра. Отдельные лазерные системы также могут перемещать атомы, обеспечивая связь «любой к любому», что обеспечивает значительную гибкость для алгоритмических целей и коррекции ошибок. В настоящее время эта технология относится к категории аппаратных кубитов, которые легко создать в большом количестве — академические партнеры QuEra продемонстрировали сетку из 3000 кубитов.

Однако работа этих систем, как правило, приводит к нагреву атомов, а их перемещение происходит медленно, поэтому они теряются с проблемной частотой. Хотя разработчики QuEra продемонстрировали впечатляющую коррекцию ошибок, предстоит еще много работы. Понимание того, как компания планирует перейти от текущих демонстраций к высококачественной системе, будет иметь решающее значение для оценки вероятности того, что мы начнем наблюдать вычисления с коррекцией ошибок до конца десятилетия.

Поэтому время объявления Amazon вызывает большое разочарование, поскольку QuEra планирует представить подробную дорожную карту своей системы Libra на следующей неделе. Нам обещали подробный брифинг перед этим, но пока мы можем сказать лишь то, что обе участвующие компании не склонны к ажиотажу и, вероятно, не стали бы объявлять об этом, если бы у них не было веских оснований полагать, что все получится.

Формальное описание Гелиоса

В ноябре компания Quantinuum анонсировала свой следующий аппарат для квантовых вычислений под названием Helios, основанный на технологии захваченных ионов. Захваченные ионы имеют некоторые общие черты с нейтральными атомами, но вместо лазерной сетки они используют электронику для перемещения ионизированных версий атомов. Несмотря на сходство, ионы находятся по разные стороны существующего разделения: существующее оборудование не содержит большого количества кубитов, но эти кубиты отличаются чрезвычайно высоким качеством.

В номере журнала Nature, вышедшем в среду, компания представила более подробное техническое описание системы Helios. Ничего не изменилось по сравнению с нашим описанием оборудования; это по-прежнему накопительное кольцо, соединенное с двумя опорами, где происходят операции, при этом ионы поступают в опоры и выходят из них по мере выполнения алгоритма. (Если хотите узнать больше, перейдите по ссылке в абзаце выше — это довольно крутая система.) Но в статье приводятся и другие подробности.

Одна из таких деталей связана с охлаждением ионов, чтобы они не покидали устройство. Система Helios позволяет осуществлять охлаждение параллельно с сортировкой ионов и другими операциями. «Эта параллельная сортировка с охлаждением основного состояния позволяет циклам охлаждения и управления работать практически непрерывно, поскольку следующая партия кубитов готова к подключению, как только текущая партия завершит операции», — говорится в документе. Компания также намекает, что видит возможность в будущем увеличить охлаждение в других областях до такой степени, что почти каждый ион будет охлажден к тому моменту, когда он действительно понадобится для операции.

Helios также поставляется с программным стеком, который абстрагирует намерения пользователя от фактического аппаратного обеспечения кубитов. Вместо этого пользователи программируют «виртуальные кубиты», а система управления в реальном времени выбирает фактические аппаратные кубиты для использования. Вероятно, именно так система позволит создавать алгоритмы с логическими кубитами с коррекцией ошибок, при этом пользователь позволит системе обрабатывать детали фактической коррекции ошибок.

Но самая поразительная новость — это частота ошибок. Во время операций с однокубитными вентилями частота ошибок составляет 0,00003, что означает, что можно выполнить множество таких операций и быть уверенным в том, что ошибка была довольно маловероятна. Даже самая высокая частота ошибок, для двухкубитных вентилей, составляет 0,0008. В результате этого и наличия 98 кубитов на Helios, моделирование работы всей машины в целом с помощью классических компьютеров практически невозможно. К тому времени, когда система выполнит восемь раундов операций, самому большому суперкомпьютеру потребуется около 10 000 000 лет, чтобы смоделировать её поведение.

Выгодно?

Вопрос о том, на что способны традиционные компьютеры и сколько времени им потребуется для этого, стал центральным в самом важном вопросе, стоящем перед этой областью: сможем ли мы заставить реальные квантовые компьютеры делать то, что, согласно теории, они должны уметь, а именно, делать то, что классические компьютеры фактически не могут? Всё началось с громких заявлений о так называемом «квантовом превосходстве», некоторые из которых оказались несостоятельными после того, как учёные-компьютерщики внимательно изучили проблему.

Однако с тех пор произошел некоторый сдвиг в сторону квантового преимущества, которое я склонен рассматривать как возможность для квантовых компьютеров делать вещи, совершенно непрактичные на классическом оборудовании. IBM создала систему отслеживания квантового преимущества, и существует общее мнение, что мы находимся на пороге появления наглядных примеров.

Однако все участники дискуссии признают, что каждое утверждение о квантовом преимуществе в некотором смысле бросает вызов ученым-программистам, предлагая оптимизировать существующие классические алгоритмы. Похоже, именно это и происходит, судя по заявлению группы ученых-программистов из компании Q-CTRL. В мае группа опубликовала на arXiv статью, демонстрирующую, что они могут использовать квантовый процессор IBM для моделирования модели Ферми-Хаббарда в 3000 раз быстрее, чем оптимизированный алгоритм, работающий на кластере из 32 процессоров.

Сотрудники другой компании-разработчика программного обеспечения (Multiverse Computing) увидели в этом проблему. В сотрудничестве с некоторыми учеными они заметили компромисс в алгоритме, используемом в демонстрации квантового преимущества. В основном, чтобы ограничить сложность, команда Q-CTRL ограничила количество рассматриваемых симметрий. Но команда Multiverse обнаружила, что включение всех возможных симметрий в системе уменьшает количество симметрий, которые необходимо рассматривать независимо. Этот компромисс способствовал сокращению времени выполнения на классических системах.

Команда Multiverse также использовала результаты моделирования, чтобы определить, когда следует применять упрощенный подход к одному из вычислений, и оптимизировала алгоритм для работы на блоках обработки данных (BPU). В результате они сократили квантовое преимущество с 3000 до 36 раз. Кроме того, они запустили моделирование на один дополнительный временной шаг по сравнению с тем, что было сделано для квантовой системы.

В результате получается именно то, ради чего IBM создала свой трекер: там понимали, что любые заявления о квантовом преимуществе будут приняты только после постоянного диалога между учеными, занимающимися квантовыми вычислениями, и разработчиками более традиционных алгоритмов. Неудобный результат этого заключается в том, что даже если обоснованное заявление о квантовом преимуществе подано (или уже находится в трекере), может пройти несколько лет, прежде чем оно будет широко признано таковым.

Если Amazon и QuEra окажутся правы, то к тому моменту у нас уже будет оборудование для квантовых вычислений с коррекцией ошибок.

Источник: arstechnica.com