Примерно 80 лет назад мир находился в состоянии войны. Под покровом секретности ученые Великобритании, Германии и США создавали первые электронные компьютеры. Эти компьютеры занимали целые комнаты, требовали огромного количества электроэнергии и позволяли проводить ранее невозможные вычисления. Мало кто из тех, кто принимал в них участие, мог представить, что спустя десятилетия компьютеры, на порядки более мощные, будут помещаться в рюкзак, но именно это и произошло.
Так как мы стоим на пороге действительно полезных квантовых вычислений, сможем ли мы когда-нибудь увидеть квантовые ноутбуки? «Я думаю, что это возможно», — сказал Live Science Марио Гели, исследователь квантовых вычислений из Оксфордского университета. «Это очень спекулятивно, но я не могу придумать фундаментальную причину, по которой квантовый ноутбук был бы невозможен».
Вот некоторые шаги, которые необходимо предпринять для достижения этой цели.
Увеличение числа кубитов
Прежде чем ученые смогут создать квантовый ноутбук, им нужно сделать полезный квантовый компьютер. Остается открытым вопрос о том, сколько кубитов — квантовых эквивалентов цифровых битов — необходимо для создания действительно полезного квантового компьютера, способного решать целый ряд полезных задач реального мира, которые не под силу лучшим суперклассическим компьютерам. Но это определенно больше, чем возможно в настоящее время.
Стивен Бартлетт, физик-теоретик и директор Наноинститута Сиднейского университета, считает, что мы сможем увидеть по-настоящему полезные квантовые компьютеры уже к концу этого десятилетия. «Существует множество открытых научных проблем, что делает этот путь немного туманным, но мы уже близки к этому», — сказал Бартлетт в интервью Live Science.
Например, недавно разработанная архитектура квантовых приборов с зарядовой связью (QCCD) может быть использована для создания двумерных массивов кубитов, а не одномерных, что позволит увеличить плотность и, возможно, количество кубитов.
Уменьшение ошибок в квантовых компьютерах
Но масштабирование создает еще одну проблему при создании миниатюрного квантового компьютера: исправление ошибок, или «шума». «Наши существующие квантовые компоненты шумят, поэтому нам нужна коррекция ошибок, а это требует большого количества избыточности», — говорит Бартлетт. Ученым нужно либо уменьшить количество ошибок, либо встроить коррекцию ошибок в квантовые компьютеры, а это требует еще большего количества кубитов». Многие ученые пытаются решить эту проблему.
Например, в исследовании, опубликованном в декабре 2023 года, была предпринята попытка уменьшить количество ошибок путем создания квантового компьютера с «логическими кубитами». В другой работе, опубликованной в апреле 2024 года, ученые разработали новый тип кубитов, которые ведут себя как логические кубиты с коррекцией ошибок. Некоторые ученые даже предложили использовать фотоны (частицы света) в качестве кубитов, в том числе в другом исследовании, где использовался лазерный импульс. По словам Питера ван Лука, профессора теоретической квантовой оптики Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга в Германии и соавтора исследования, такой подход обладает «врожденной способностью исправлять ошибки».
Таким образом, если в течение десятилетия или двух появятся мощные и полезные квантовые компьютеры, следующим шагом станет миниатюризация.
Будут ли квантовые компьютеры когда-нибудь похожи на ноутбуки?
Выбор различных типов кубитов
Но чтобы стать по-настоящему маленькими, квантовым компьютерам, возможно, придется сосредоточиться на другом типе кубитов, чем популярно в настоящее время. Некоторые из самых продвинутых квантовых компьютеров, созданных сегодня IBM и Google, используют квантовые процессоры со сверхпроводящими кубитами. Но первый квантовый ноутбук, скорее всего, не будет использовать эту технологию.
Потому что по своей природе сверхпроводящие кубиты должны быть охлаждены до уровня, на долю превышающего абсолютный ноль — около 20 милликельвинов, — а для этого необходимо заполнить комнату холодильниками для разбавления. И такие компании, как IBM, не пытаются обойти это ограничение по размеру. Например, в текущей дорожной карте квантовых вычислений IBM указаны цели, включающие создание квантового компьютера на 2000 кубитов к 2033 году, что позволит заполнить не одну, а множество комнат.
Бартлетт и Гели объясняют, что вместо этого квантовые ноутбуки могут использовать ионные кубиты в ловушках — заряженные частицы, существующие в нескольких состояниях одновременно и подвешенные с помощью электромагнитных полей. Хотя системы с захваченными ионами работают при комнатной температуре и не нуждаются в холодильниках размером с комнату, используемые в них лазеры гигантские.
«На данный момент наша лазерная система занимает примерно кубический метр [35 кубических футов]», — говорит Гели. «Если мы предполагаем, что за ионными ловушками будущее, то нам нужно, чтобы лазеры стали меньше».
И лазеры должны не только уменьшиться, но и стать более совершенными. Нынешние системы рассчитаны на сдерживание 100 ионов. «Сколько кубитов вы сможете контролировать с помощью такого объема лазерного оборудования, пока неясно», — говорит Гели. «Вы можете управлять большим количеством кубитов, чем мы имеем сегодня, но, конечно, не миллионами кубитов полноценного квантового компьютера».
Однако два последних достижения могут помочь в миниатюризации. Во-первых, будущие QCCD могут способствовать миниатюризации за счет увеличения плотности кубитов. Во-вторых, в июле исследователи из Стэнфорда создали титан-сапфировые лазеры, которые в 10 000 раз меньше тех, которые они заменяют.
Похожие статьи: Как работает защищенная телефонная линия?
Усилия по миниатюризации будут наращиваться
Сейчас ученые сосредоточены на том, чтобы сделать квантовые компьютеры более мощными, а не на их уменьшении. «Стремление к миниатюризации сейчас не так сильно, как стремление к производительности, и это напоминает ранние времена обычных компьютеров, когда у нас были мейнфреймы», — говорит Бартлетт. «Люди считали, что самые мощные компьютеры занимают целое здание. И знаете, зачем кому-то всерьез рассматривать возможность носить его с собой в рюкзаке?»
История компьютеров говорит о том, что квантовые компьютеры сначала будут использоваться в промышленных, военных и правительственных целях, а затем перейдут к потребителям. Вспоминается апокрифическое высказывание Томаса Уотсона-старшего в 1943 году о том, что «мировой рынок будет состоять, возможно, из пяти компьютеров».
Конечно, мировой рынок персональных компьютеров и ноутбуков огромен, так может ли когда-нибудь произойти такой же взрыв спроса на квантовые ПК и ноутбуки? «На занятиях по квантовым вычислениям мне постоянно задают вопрос: «Когда я смогу поиграть в Doom на квантовом компьютере?»». сказал Бартлетт. «Но зачем вам это нужно, если сегодня вы можете прекрасно играть в Doom на своем компьютере?»
Вместо этого Бартлетт предположил, что могут появиться «квантовые персональные приложения, такие как финансы или что-то нишевое, связанное с информационной безопасностью» — но правда в том, что никто не знает. Гели высказал альтернативное предположение о том, что квантовый процессор будет работать в паре с классическим процессором. «Это может быть похоже на графическую карту, но она будет полезна только для определенных задач», — сказал Гели.
Пока неясно, будут ли квантовые ноутбуки полезны для потребителей. Что эксперты могут сказать с высокой степенью уверенности, так это то, что все аппаратные препятствия — масштабирование количества кубитов, исправление ошибок и миниатюризация компонентов — могут быть преодолены. И все же будущий квантовый ноутбук, скорее всего, не будет играть в Doom.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
