Последние прорывы в области квантовых вычислений 2024 года: что на самом деле изменилось и почему это важно

Есть версия истории о квантовых вычислениях, которая повторяется каждый год: затаивший дыхание пресс-релиз, число настолько большое, что оно нарушает понимание, а затем тишина. 2024 год показался другим исследователям, которые действительно внимательно следят за этой областью. Не из-за одного объявления, а из-за трёх отдельных прорывных моментов, произошедших с разницей в несколько месяцев — каждый из разных компаний, использующих принципиально разные подходы к одной и той же проблеме. Когда это происходит одновременно на всех аппаратных архитектурах, обычно это признак того, что поле движется, а не вращается.

Вот что на самом деле изменилось в 2024 году, почему каждое событие имеет значение и каковы честные предостережения.

Google Willow: чип, который изменил разговор об исправлении ошибок

Самая большая новость года появилась 9 декабря 2024 года. Команда Google по квантовому искусственному интеллекту представила Willow — 105-кубитный сверхпроводящий процессор, созданный на их специальном производственном предприятии в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре — и то, что он продемонстрировал, было не просто более быстрым чипом. Это было доказательством того, что эта область пыталась установить на протяжении почти трех десятилетий.

Основное достижение: когда Google добавил в Willow больше кубитов, частота ошибок снизилась, а не выросла. Это звучит просто. Это не так. В течение многих лет главным разочарованием в квантовых вычислениях было то, что больше кубитов означало больше шума, больше нестабильности, больше ошибок, каскадно возникающих в вычислениях. Вы могли бы построить более крупную систему, но она была бы менее надежной. Уиллоу разорвала эти отношения. Используя свою архитектуру исправления ошибок, чип продемонстрировал так называемую работу «ниже порога» — точку, в которой масштабирование действительно помогает, а не вредит.

Тест Google, запущенный одновременно с этим объявлением, мгновенно стал знаменитым: Уиллоу выполнила вычисление случайной выборки схемы менее чем за пять минут, на что у самого быстрого классического суперкомпьютера на сегодняшний день ушло бы 10 септиллионов лет — это 10²⁵ лет, что примерно в миллион раз превышает нынешний возраст Вселенной. Как сказал Хартмут Невен, основатель Google Quantum AI в 2012 году: «Мы прошли точку безубыточности». Полные технические подробности были опубликованы в рецензируемом журнале Nature, и это важно: предыдущие заявления о квантовом превосходстве вызывали законную критику, а наличие методологии, доступной для изучения, является значимым отличием.

Официальное объявление и техническая документация доступны непосредственно в блоге Google Quantum AI.

Честное предостережение: эталонный тест Уиллоу по-прежнему узок. Случайная выборка цепей доказывает, что некоторые вычисления классически невыполнимы для этого чипа — это не означает, что Уиллоу в настоящее время может запускать приложения для открытия лекарств или моделирования климата, о которых упоминают всякий раз, когда появляются квантовые вычисления. Ценность Willow — архитектурная: она показывает, что крупномасштабные квантовые вычисления с коррекцией ошибок больше не являются теоретическим потолком. Это продемонстрированный инженерный путь.

Microsoft и Quantinuum: веха в логическом кубите

За восемь месяцев до анонса Willow Microsoft и Quantinuum в апреле 2024 года опубликовали результат, который получил меньше широкой прессы, но, возможно, больше внимания со стороны исследователей. Они продемонстрировали логические кубиты с частотой ошибок в 800 раз ниже, чем у соответствующих физических кубитов, из которых они были построены, — используя то, что Microsoft назвала «виртуализацией кубитов».

Различие между физическими и логическими кубитами является настоящей разделительной линией в квантовых вычислениях. Физические кубиты — это аппаратные единицы — они шумные, чувствительные к температуре, вибрации, электромагнитным помехам и самому времени. Логические кубиты создаются путем объединения нескольких физических кубитов в структуру, которая избыточно кодирует информацию, поэтому ошибки можно обнаруживать и исправлять, не разрушая вычисления. Проблема всегда заключалась в том, что для создания логических кубитов требовалось так много физических кубитов, что из-за накладных расходов все это делало все это непрактичным. Снижение частоты ошибок в 800 раз означает, что логические кубиты начинают выглядеть реалистичными, а не теоретическими.

В ноябре 2024 года Microsoft расширила этот подход. Работая с Atom Computing, они успешно создали и запутали 24 логических кубита, используя ультрахолодные нейтральные атомы иттербия, установив новый рекорд и сделав это с замечательной точностью затвора: 99,963% для операций с одним кубитом и 99,56% для операций запутывания двух кубитов. В подходе нейтральных атомов используются атомы, охлажденные лазером и удерживаемые на месте оптическим пинцетом. Это совершенно другая аппаратная архитектура, чем у сверхпроводящих трансмонов Google. Это важно, поскольку означает, что одновременно развиваются несколько жизнеспособных путей к отказоустойчивым квантовым вычислениям, вместо того, чтобы делать ставку на один подход.

Затем, в декабре 2024 года, Quantinuum пошел еще дальше: запутание 50 логических кубитов — еще один рекорд и демонстрация того, что эра логических кубитов — это не будущая веха, а активное настоящее.

IBM Heron R2: прорыв в инженерной дисциплине

Willow от Google и логические кубиты Microsoft захватили меня