Последние достижения в квантовых вычислениях 2024 года: что действительно изменилось и почему это важно

Существует версия истории о квантовых вычислениях, которая повторяется из года в год: взволнованный пресс-релиз, число настолько огромное, что оно ломает восприятие, и затем тишина. 2024 год казался исследователям, которые действительно следят за этой областью, немного иным. Не из-за одного объявления, а из-за трех отдельных прорывных моментов, произошедших в течение нескольких месяцев — каждый от разной компании, использующей принципиально разные подходы к одной и той же проблеме. Когда такие события происходят одновременно в разных архитектурах аппаратного обеспечения, это обычно знак того, что область движется, а не вращается.

Вот что действительно изменилось в 2024 году, почему каждое развитие важно и какие есть честные оговорки.

Google Willow: чип, изменивший разговор об ошибках и коррекции

Самая крупная новость года поступила 9 декабря 2024 года. Команда квантового ИИ Google представила Willow — 105-кьюбитный сверхпроводниковый процессор, созданный на их специализированном производственном предприятии в Калифорнии, в Санта-Барбаре — и то, что он продемонстрировал, было не просто более быстрым чипом. Это было доказательство того, чего область пыталась добиться почти три десятилетия.

Основное достижение: по мере увеличения количества кьюбитов в Willow, уровень ошибок снижался, а не увеличивался. Звучит просто. Но это не так. В течение многих лет главной проблемой квантовых вычислений было то, что больше кьюбитов означало больше шума, больше нестабильности, цепную реакцию ошибок в расчетах. Можно было построить более крупную систему, но она была бы менее надежной. Willow разрушил эту зависимость. Используя свою архитектуру коррекции ошибок, чип продемонстрировал так называемую работу «ниже порога» — точку, при которой масштабирование действительно помогает, а не вредит.

Критерий, по которому Google сравнил результаты, стал мгновенно знаменитым: Willow выполнил случайное моделирование цепи за менее чем пять минут, тогда как самый быстрый классический суперкомпьютер сегодня потребовал бы 10 секстиллионов лет — это 10²⁵ лет, примерно в миллион раз больше текущего возраста Вселенной. Как выразился Хартмут Невен, основатель Google Quantum AI в 2012 году: «Мы превысили точку безубыточности». Полные технические детали были опубликованы в рецензируемом журнале Nature, что важно: предыдущие заявления о квантовом превосходстве подвергались критике, и наличие методологии для проверки — существенное отличие.

Официальное объявление и техническая документация доступны прямо на блоге Google Quantum AI.

Честная оговорка: тест на бенчмарк Willow все еще узкий. Случайное моделирование цепи показывает, что некоторые вычисления классически невыполнимы для этого чипа — это не означает, что Willow сейчас может запускать приложения по обнаружению лекарств или моделированию климата, о которых говорят при упоминании квантовых вычислений. Ценность Willow — архитектурная: она показывает, что крупномасштабные квантовые вычисления с коррекцией ошибок уже не являются теоретической вершиной. Это продемонстрированный инженерный путь.

Microsoft и Quantinuum: этап логического кьюбита

За восемь месяцев до объявления Willow Microsoft и Quantinuum опубликовали результат в апреле 2024 года, который получил меньше общего освещения, но, возможно, больше внимания со стороны исследователей. Они продемонстрировали логические кьюбиты с уровнем ошибок в 800 раз ниже, чем у соответствующих физических кьюбитов — используя то, что Microsoft назвала «виртуализацией кьюбитов».

Различие между физическими и логическими кьюбитами — это настоящая граница в квантовых вычислениях. Физические кьюбиты — это аппаратные блоки — они шумные, чувствительные к температуре, вибрациям, электромагнитным помехам и времени. Логические кьюбиты создаются путём объединения нескольких физических кьюбитов в структуру, которая кодирует информацию избыточно, чтобы ошибки можно было обнаруживать и исправлять без разрушения вычислений. Проблема всегда заключалась в том, что для построения логических кьюбитов требовалось так много физических кьюбитов, что накладные расходы делали всю систему непрактичной. Уменьшение ошибок в 800 раз означает, что логические кьюбиты начинают выглядеть реально, а не теоретически.

В ноябре 2024 года Microsoft расширила это достижение. Работая с Atom Computing, они успешно создали и запутали 24 логических кьюбита, используя ультра-холодные нейтральные атомы ytterbium — установив новый рекорд и достигнув при этом впечатляющей точности гейтов: 99,963% для однокьюбитных операций и 99,56% для двухкьюбитных запутываний. Подход с нейтральными атомами использует лазерное охлаждение атомов, удерживаемых в оптических пинцетах, — совершенно другую аппаратную архитектуру, чем сверхпроводящие транзисторы Google. Это важно, потому что означает, что одновременно развиваются несколько жизнеспособных путей к отказоустойчивым квантовым вычислениям, а не вся область делает ставку только на один подход.

Затем, в декабре 2024 года, Quantinuum пошли дальше: запутали 50 логических кьюбитов — еще один рекорд и демонстрация того, что эпоха логических кьюбитов — не будущее, а активное настоящее.

IBM Heron R2: прорыв в инженерной дисциплине

Google Willow и логические кьюбиты Microsoft привлекли больше внимания в 2024 году. Вклад IBM был менее заметным, но не менее важным для тех, кто задумывается о том, откуда реально берутся практические квантовые вычисления.

В ноябре 2024 года IBM представила процессор Heron R2 — 156 кьюбитов, второе поколение архитектуры Heron, построенное с топологией «тяжелого гексагонального» решетки. Количество кьюбитов важнее не столько само, сколько что произошло с производительностью. Уровень ошибок двухкьюбитных гейтов снизился до 8×10⁻⁴. Система теперь может выполнять квантовые цепи с до 5000 двухкьюбитных операций. И задачи, ранее требовавшие более 120 часов на лучшем квантовом оборудовании IBM, теперь выполняются примерно за 2,4 часа — примерно в 50 раз быстрее.

Ранее в 2024 году IBM также завершила свой самоназначенный «100×100 вызов», запустив цепь из 100 кьюбитов с глубиной 100 за несколько часов. Это «утилитарное» вычисление — такое, которое невозможно решить классическими методами — и его выполнение подтверждает прогресс, который IBM демонстрирует постепенно и взвешенно, укрепляя свою репутацию.

Более технически значимый результат IBM 2024 года был опубликован в статье в журнале Nature, где описывается новый код коррекции ошибок под названием «двойная велосипедная» qLDPC-код. Традиционные квантовые коды коррекции ошибок, использующие поверхностные коды, требуют примерно 3000 физических кьюбитов для кодирования одного надежного логического кьюбита. Новый код IBM достигает сопоставимого подавления ошибок, используя всего 144 данных кьюбита и 144 вспомогательных — в 10 раз меньше накладных расходов. Такой прирост эффективности делает отказоустойчивые квантовые вычисления менее далеким будущим и более инженерной задачей с четко определенным путём решения.

Полная дорожная карта аппаратного обеспечения IBM и текущие характеристики процессоров доступны на ibm.com/quantum.

NIST и пост-квантовая криптография: прорыв 2024 года, о котором не говорят

Четвертое крупное событие 2024 года не связано с квантовым процессором. В августе 2024 года Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) официально опубликовал первые стандарты пост-квантовой криптографии — алгоритмы, предназначенные противостоять атакам будущих квантовых компьютеров. Два из трех алгоритмов — (ML-KEM и ML-DSA) — были разработаны криптографами IBM Research в Цюрихе.

Почему это важно в статье о прорывах в квантовых вычислениях? Потому что это первое конкретное признание международного стандартизирующего органа, что квантовые компьютеры, способные взломать текущие системы шифрования, уже не являются чисто теоретической возможностью. Стандарты существуют потому, что правительства и предприятия должны начать переход уже сейчас, до появления криптоустойчивых квантовых компьютеров. Время перехода от публикации стандарта до его широкого внедрения обычно составляет десятилетия и более. Решение NIST 2024 фактически запустило этот отсчет.

Для инфраструктуры блокчейна и цифровых активов это напрямую актуально. Текущие асимметричные схемы шифрования, защищающие кошельки, транзакции и смарт-контракты, рано или поздно потребуется заменить на квантостойкие альтернативы. Обзор BlockchainReporter о развитии блокчейна и криптографии отслеживает этот переход в реальном времени.

Для более подробного анализа влияния квантовых достижений на безопасность криптовалют см. анализ BlockchainReporter о воздействии квантовых вычислений на криптовалюты.

Честная оценка: что доказали и не доказали 2024 год

Легко было бы сделать вывод, что квантовые вычисления «пришли». Но это не совсем так, и участвующие исследователи ясно это признают.

Willow от Google пока не запускает приложения, обещанные в долгосрочной дорожной карте — обнаружение лекарств, материаловедение, финансовая оптимизация. Он продемонстрировал коррекцию ошибок ниже порога и результат бенчмарка. Разрыв между этим и коммерчески полезным вычислением все еще значителен, требуя уровней ошибок значительно ниже текущих.

Для понимания, как криптосообщество реально реагирует на эти события, обзор BlockchainReporter о мнениях экспертов о квантовых угрозах Bitcoin дает полезную перспективу о разрыве между теоретическим риском и текущей реальностью.

50 логических кьюбитов Quantinuum могут обнаруживать ошибки, но полная коррекция ошибок — (обнаружение и исправление без разрушения квантового состояния) — это более сложная задача, которая еще решается. Рекорд Atom Computing использует нейтральные атомы, требующие очень сложной инфраструктуры лазерного управления, которая пока не существует в масштабах.

Heron R2 от IBM — наиболее практически развернутая система 2024 года — она работает в квантовом облаке IBM, корпоративные клиенты используют ее для задач, а результат 100×100 демонстрирует утилитарные масштабы. Но первый полностью исправленный системой процессор Starling IBM ожидается только к 2029 году.

Что доказал 2024 год важнее, чем то, что он не доказал. Область перестала развиваться в одном направлении и начала прогрессировать во всех направлениях одновременно — аппаратное обеспечение, коррекция ошибок, логические кьюбиты, эффективность программного обеспечения и криптографические стандарты. Как исследовательское сообщество, она начала действовать скорее как инженерная дисциплина с проверяемыми и воспроизводимыми этапами.

Для читателей BlockchainReporter, отслеживающих слияние квантовых вычислений и ИИ, которое меняет финансовую инфраструктуру, раздел о последних разработках в области блокчейна и новых технологий освещает, как эти изменения влияют на децентрализованные системы и безопасность цифровых активов в реальном времени.

Что дальше: траектория 2025–2026 годов

Прорывы 2024 года задают конкретный набор следующих шагов, над которыми область сейчас активно работает.

Следующий этап после Willow — достижение отказоустойчивой работы — переход от коррекции ошибок ниже порога к полной коррекции ошибок, при которой система сможет надежно выполнять произвольно длинные вычисления. Алгоритм Quantum Echoes, опубликованный на процессоре Willow в 2025 году, продемонстрировал первый в истории проверяемый квантовый преимущество для реальной вычислительной задачи, сделав шаг за пределы демонстраций бенчмарков к результатам, релевантным для приложений.

Дорожная карта Microsoft предусматривает 50–100 запутанных логических кьюбитов в коммерческих развертываниях в ближайшие годы — достаточно, по их оценкам, для «по-настоящему практических прорывов в материаловедении или химии». Их чип Majorana 1, представленный в 2025 году и основанный на топологических кьюбитах, представляет третий архитектурный выбор наряду с сверхпроводящими и нейтральными атомами.

Процессор IBM Starling, ожидаемый в 2029 году, нацелен на 100 миллионов гейтов на 200 исправленных кьюбитах с использованием схемы коррекции ошибок Gross — архитектуры, которая, по мнению IBM, наконец соединит квантовую полезность с квантовым преимуществом для коммерчески ценных задач.

Траектория с 2024 года идет в одном направлении: вопрос уже не в том, возможна ли крупномасштабная коррекция ошибок в квантовых вычислениях. Прорывы 2024 года подтвердили, что это возможно на нескольких аппаратных подходах. Теперь вопрос — какой из них масштабируется быстрее и как быстро появятся приложения, оправдывающие инвестиции.

Эта статья носит информационный и образовательный характер. Она не является финансовым или инвестиционным советом.