Квантовые вычисления меняют ход науки: подробный разбор последнего прорыва IBM

В научном мире с нетерпением ожидают создания более крупных и мощных квантовых компьютеров, компания International Business Machines (IBM) и группа исследователей пытаются доказать, что эти системы уже сегодня могут быть использованы. Им это удалось.

В среду на платформу arXiv была загружена предварительная версия статьи, в которой показано, что ученые из IBM в сотрудничестве с двумя национальными лабораториями и тремя университетами успешно использовали квантовый компьютер для моделирования процесса, который невидим невооруженным глазом, но имеет ценность в области материаловедения.

Исследователи использовали технологию нейтронного рассеяния (то есть позволили нейтронному потоку проникнуть в образец) для измерения свойств магнитных кристаллов и провели прямое сравнение полученных результатов с результатами моделирования, выполненного на квантовом компьютере IBM. В конечном итоге квантовый процессор успешно продемонстрировал ожидаемое поведение этого кристалла.

Если это описание кажется несколько сложным, послушайте интерпретацию самих исследователей: физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории Алан Шай сказал, что это достижение “повышает ожидания людей относительно возможностей квантовых компьютеров”.

(Слева: результаты эксперимента по нейтронному рассеиванию; справа: результаты моделирования на квантовом компьютере IBM) Фото: IBM

Материальные системы на квантовом уровне чрезвычайно сложны, и традиционным компьютерам зачастую трудно их моделировать. Однако квантовый компьютер успешно справился с этой задачей, что свидетельствует о том, что такие системы становятся достаточно мощными, чтобы способствовать разработке новых материалов.

Это также косвенно подтверждает перспективы применения квантовых технологий в материаловедении — эта дисциплина является основой практически всех современных изобретений, включая медицинское оборудование, полупроводники и батареи.

Сценарии применения квантовых вычислений постепенно становятся ясными. В начале этого месяца IBM опубликовала план центра обработки данных, в котором запланировано объединение квантовых компьютеров с существующими GPU и CPU. Кроме материаловедения, эта технология также окажет глубокое влияние на финансовый и фармацевтический секторы. Некоторые оптимистично настроенные эксперты отрасли считают, что она может значительно снизить энергопотребление при выполнении задач с высокой вычислительной нагрузкой.

В настоящее время эксперты отрасли и инвесторы в области квантовых технологий уже снизили свои ожидания. Прежде чем квантовые компьютеры станут широко коммерчески доступными, их будет трудно считать действительно “доступными”. Для этого необходимо достичь масштабируемости.

Тем не менее, способность, продемонстрированная IBM в последнем эксперименте, изначально ожидалась только с появлением масштабируемых, устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров — то есть таких, которые могут продолжать нормально работать, даже если отдельные компоненты выходят из строя или подвергаются помехам.

Подобно тому, как традиционные компьютеры кодируют основную информацию в битах, квантовые компьютеры зависят от квантовых битов. Однако между ними есть ключевое различие: квантовые биты (кубиты) обычно создаются путем манипуляции и измерения таких частиц, как фотоны, электроны или захваченные ионы.

И, в отличие от традиционных битов, кубиты особенно чувствительны к изменениям в окружающей среде — любые факторы, от тепла до электромагнитных помех, могут нарушить их хрупкое квантовое состояние, что приведет к сбоям в работе компьютера.

Цель IBM — предоставить свой первый квантовый суперкомпьютер с устойчивостью к ошибкам, кодовое название “Starling”, к 2029 году, и ожидается, что его вычислительная мощность будет в двадцать тысяч раз больше, чем у современных квантовых компьютеров.

В ближайшие три года может произойти — и обязательно произойдет — много изменений. Последний эксперимент IBM — это всего лишь начало.