Квантовые компьютеры пока не имеют практического применения: конфликт ожиданий бизнеса, государства и научного сообщества
На сегодняшний день квантовый компьютер еще ни разу убедительно не выполнил ни одной полезной задачи. Существующие машины слишком малы и подвержены ошибкам, что делает невозможным решение коммерчески значимых проблем. Однако это не помешало научному советнику Дональда Трампа пообещать создание «квантового компьютера, достаточно мощного для научных открытий к 2028 году», а самого Трампа подписать новый исполнительный указ ускорения развития отрасли США в конкуренции с Китаем. Оба события произошли 22 июня.
Компании также способствуют раздуванию ожиданий. В июне Microsoft анонсировала новый чип для квантовых вычислений под названием Majorana 2. Компания заявила, что это аппаратное улучшение ускоряет сроки выхода на «масштабируемый и практичный квантовый компьютер» до 2029 года. Однако независимые эксперты быстро подвергли анонс критике. «Это полная ерунда», — заявил Хенри Лэгг, физик из Университета Сент-Эндрюса и давний критик подходов Microsoft, в интервью The Verge.
Лэгг опубликовал статью в журнале Nature 24 июня, в которой критикует заявления Microsoft, сделанные годом ранее (процесс рецензирования занял много времени), и указывает на существенные расхождения между научными публикациями компании и ее пресс-релизами. В журнал было включено опровержение Microsoft. По мере продолжения споров прогресс в области квантовых вычислений кажется хаотичным: чередуются преувеличенные заявления компаний, последующая критика со стороны академических исследователей, новые споры и теперь — чрезмерно уверенные цели, поставленные главами государств.
Исследователи действительно достигли прогресса в области квантовых вычислений, однако он носит преимущественно постепенный характер и слишком специализирован, чтобы сразу захватить воображение общественности. Кроме того, все это очень дорого обходится.
За последнее десятилетие Google, IBM, Amazon, Microsoft, ряд национальных правительств и множество небольших стартапов вложили миллиарды долларов в разработку квантовых технологий. Сторонники прогнозируют, что технология приведет к открытиям в медицине, а также к прогрессу в материаловедении и машинном обучении. В то же время многие эксперты по национальной безопасности рассматривают ее развитие как новую гонку вооружений между США и Китаем.
Суть обещаний квантовых вычислений заключается в их превосходстве в выполнении определенного типа математических операций, принципиально отличного от классических компьютеров. Вместо битов, используемых классическими компьютерами, фундаментальной единицей информации в квантовом компьютере является кубит. Кубиты представляют информацию в виде вероятностей, а не единиц и нулей. Кубит можно представить как монету, подброшенную в воздух: пока она не упала строго «орлом» или «решкой», она находится в состоянии вероятности обоих вариантов. Объекты вроде молекул или процессы вроде фотосинтеза по своей природе включают вероятности, поэтому квантовым компьютерам симулировать их более «естественно», чем классическим. Однако квантовые компьютеры вряд ли будут эффективны для типичных классических задач, таких как работа с электронной почтой или текстовыми документами.
Компании создают кубиты из различных материалов. Несколько физиков, с которыми spoke The Verge, отметили, что ведущими типами кубитов являются нейтральные атомы, ионы и сверхпроводящие цепи. Google и IBM производят кубиты на основе сверхпроводящих цепей. Quantinuum, связанная с Honeywell, создает кубиты из отдельных ионов бария, в то время как стартап QuEra из Бостона использует отдельные атомы рубидия. Кубит Майораны от Microsoft, существование которого оспаривается экспертами, строится на основе тонкой проволоки, прикрепленной к сверхпроводнику. Преследуя эти различные подходы, компании пытаются найти способ создать аппаратное обеспечение квантовых вычислений, которое было бы как точным, так и легко масштабируемым.
«Вся эта технология Майораны еще не является технологией», — отмечает один из экспертов.
Сторонники технологии утверждают, что она способна решать задачи, с которыми сегодня справляются даже суперкомпьютеры с трудом. Теоретические исследования показывают, что квантовые компьютеры должны быть способны симулировать молекулы гораздо легче, чем суперкомпьютеры. Такие симуляции могли бы помочь в разработке новых материалов для аккумуляторов или лекарств.
Некоторые представляют квантовый компьютер как инструмент кибератак. В 1994 году специалист по информатике Питер Шор разработал квантовый алгоритм разложения чисел на простые множители, который теоретически способен взломать шифрование RSA — распространенное семейство алгоритмов, используемых для защиты банковских операций и электронной почты. Эта предполагаемая криптографическая возможность стимулировала экспертов к разработке более безопасных протоколов, известных как постквантовая криптография (пока не получившая широкого распространения), которые квантовые компьютеры должны быть не в состоянии взломать. Их ожидание способности квантовых компьютеров к дешифровке могло сделать это приложение устаревшим. Кроме того, этим криптографам на самом деле не нужен был квантовый компьютер для разработки лучшей системы шифрования, поэтому аргумент о полезности квантовых компьютеров здесь выглядит натянутым. (22 июня Трамп подписал еще один исполнительный указ, направленный на «переход» правительственных компьютеров на «постквантовую криптографию» к 2030 или 2031 году.)
Текущие квантовые компьютеры, такие как Willow от Google, представляют собой отдельные чипы, слишком примитивные для взлома шифрования RSA или реализации симуляций молекул лекарств. Однако видение заключается в создании масштабированных машин, способных на это. Такие квантовые компьютеры будут представлять собой специализированные центры обработки данных из множества объединенных чипов или, возможно, специализированные чипы внутри суперкомпьютера, доступ к которым пользователь будет получать через облако. Квантовый компьютер не станет потребительским гаджетом, принадлежащим отдельным лицам, и не заменит классические компьютеры. «Это компьютер с очень конкретной целью», — говорит Дрис Сельс, физик из Бостонского университета.
Однако разработка в направлении этих целевых применений шла непросто, и исследователи до сих пор обсуждают, какова именно эта цель.
В июне IBM объявила о планах инвестировать более 10 миллиардов долларов в квантовые вычисления в течение следующих пяти лет. Как и Microsoft, IBM нацелена на создание квантового компьютера большего масштаба к 2029 году. Инвестиции компании совпадают с притоком государственных средств в отрасль. В мае администрация Трампа заявила о предоставлении 2 миллиардов долларов финансирования девяти компаниям в области квантовых вычислений, из которых IBM получит 1 миллиард долларов.
Подобные циклы повторялись несколько раз с момента зарождения технологии. Компании объявляют о прорыве; независимые исследователи обвиняют их в преувеличениях, в то время как инвесторы продолжают вливать деньги в отрасль. В 2019 году Google объявила, что ее квантовый компьютер выполнил задачу быстрее лучшего суперкомпьютера — достижение, ныне известное как квантовое преимущество. Тогда представители компании окрестили это «квантовым превосходством», но сегодня эксперты широко согласны с тем, что демонстрация, заключавшаяся в генерации случайных чисел, не имела практического применения. Тем не менее, согласно McKinsey, инвестиции в квантовые вычисления в 2020 году составили треть от всех инвестиций до этого момента.
В октябре прошлого года Google заявила о проведении еще одной демонстрации квантового преимущества. В ходе демонстрации исследователи Google симулировали молекулы из 15 и 28 атомов для изучения их магнитного поведения в определенном сценарии. В пресс-релизе stated, что демонстрация показала, «что квантовый компьютер может успешно выполнить проверяемый алгоритм на аппаратном обеспечении, превзойдя даже самые быстрые классические суперкомпьютеры».
«Мы на 100% стоим за свои результаты. Мы придерживаемся нашего плана развития», — заявили представители компании.
Хотя демонстрация показала «высокую точность» контроля машины Google, это был искусственно созданный эксперимент, разработанный специально для демонстрации квантового преимущества, а не для чего-либо полезного, отмечает Сельс. «Он не симулирует ничего интересного», — говорит он. «Было бы более интересно, если бы они симулировали то, что классические методы пытались делать годами и не могут».
Сельс также оспаривает утверждение о том, что Google обошла все классические компьютеры. Хотя никто из известных ему лиц не использовал суперкомпьютер для опровержения претензий Google, он считает это осуществимым, так как ранее уже разоблачал подобные заявления. Однако он также считает это пустой тратой времени. «Некоторые из этих проблем настолько искусственны, что мы действительно не хотим их решать», — говорит Сельс. Раньше он чувствовал обязанность выполнять такое разоблачение как проверку отраслевого хайпа, но эта работа не представляет для него научного интереса.
«Я не знаю, будет ли кто-то действительно вкладывать усилия в попытку классически симулировать эксперимент Google», — говорит Сельс. «Я думаю, что не буду, если мне не заплатят за это миллиарды долларов».
Google по-прежнему считает исследование значимым. «Результат Google 2025 года, опубликованный в Nature, стал первой демонстрацией проверяемого квантового преимущества на аппаратном обеспечении. Он не претендовал на немедленное практическое применение, но релевантен для ЯМР (ядерного магнитного резонанса) и является индикатором быстрого прогресса к полезным квантовым вычислениям», — написал представитель Google Джейсон Фрайдфельдс в ответ на критику Сельса.
Драматизм может затмить реальный прогресс в квантовых вычислениях. До сих пор основной технологической проблемой были дефектные кубиты. Они не могут идеально выполнять вычислительные операции, и ошибки накапливаются по мере увеличения длины алгоритмов. Это было главным препятствием квантовых вычислений: любое приложение, представляющее интерес, потребует длинного алгоритма, но чем длиннее алгоритм, тем больше ошибок возникает в квантовом компьютере.
Исследователи улучшили сами кубиты, чтобы они дольше сохраняли информацию. Чем дольше они удерживают информацию, тем больше операций можно выполнить и тем более сложные алгоритмы могут быть запущены. В ноябре прошлого года Эндрю Хоук из Принстонского университета и его коллеги сообщили, что создали сверхпроводящий кубит, который может удерживать информацию в три раза дольше предыдущего рекордсмена. Ключом к их улучшению стало создание многослойной подложки, на которой находятся кубиты, из более чистых материалов, чем в предыдущих чипах, с тщательным вниманием к температуре и осаждению слоев, составляющих чип. «Это все очень тонкие настройки», — говорит Хоук.
И за последние два года исследователи сделали значительные шаги в том, что известно как коррекция квантовых ошибок. «Прогресс в коррекции ошибок, который мы наблюдали за последние пару лет, является самой захватывающей вещью в этой области», — говорит Сельс.
Кроме того, исследователи разработали алгоритмы для исправления ошибок во время работы квантового компьютера. Техника заключается в кодировании одной единицы информации в нескольких кубитах, а не в одном кубите, как это делалось ранее. Исправленную на ошибки коллекцию они называют «логическим кубитом», а его отдельные компоненты — «физическими кубитами».
Компании соревнуются в создании логических кубитов из как можно меньшего количества физических кубитов. В 2024 году Google создала логический кубит из 105 физических кубитов. В 2025 году IBM и Amazon показали, что им потребовалось 12 и 9 физических кубитов соответственно для создания логического кубита. К концу того года Quantinuum продемонстрировала, что ей нужно два физических кубита на один логический. Меньшее количество физических кубитов на логический кубит упрощает масштабирование квантового компьютера.
И коррекция ошибок является центральным элементом спорного анонса Microsoft. Microsoft заявила (что оспаривают эксперты), что создала объект, состоящий из электронов, известный как частица Майораны, предсказанная для существования в крошечной проволоке из полупроводника арсенида индия, прикрепленной к сверхпроводнику. Теория предсказывает, что при определенных экспериментальных условиях электроны в этой проволоке, тоньше человеческого волоса, будут выполнять коллективный «танец», в котором они начнут вести себя как странный блок, известный как частица Майораны. В частности, исследователи предполагали, что частица Майораны должна допускать меньше ошибок, чем другие физические кубиты, и поэтому ее будет легче масштабировать.
Лэгг говорит, что Microsoft не успешно создала частицу Майораны — базовый строительный блок конструкции своей машины. Подход Microsoft имеет «фундаментальные проблемы», говорит он, которые уже были проблемой в предшественнике чипа, Majorana 1, выпущенном в прошлом году. «Знаете выражение „годы, а не десятилетия“? Я думаю, что это скорее столетия, а не десятилетия».
«Мы на 100% стоим за свои результаты. Мы придерживаемся нашего плана развития», — ответил лидер квантового подразделения Microsoft Четан Нааяк в интервью The Verge. В электронном заявлении он добавил, что «статьи Microsoft показывают, что мы создаем и контролируем частицы Майораны». Он также написал, что Лэгг не «предложил альтернативную модель, которая соответствовала бы всем нашим данным».
Подтверждающие доказательства Microsoft являются неуверенными, по словам Лэгга. То, что компания представила как доказательство частицы Майораны, по его мнению, может на самом деле быть связано с образованием квантовых точек в ее устройстве. Квантовые точки — это объекты, содержащие электроны, которые не полезны для квантового компьютера Microsoft. Кроме того, ее заявление основано на данных с одного устройства, говорит Лэгг. Он хочет увидеть повторение результатов Microsoft на нескольких чипах. «Если вы многократно пытаетесь найти Иисуса в тосте, в конце концов вы найдете Иисуса в тосте», — говорит он. «Но этот один кусок хлеба не означает, что у вас было какое-то откровение».
«Хотя мы ценим религиозный пыл, наши данные сохраняют силу и последовательность нашего плана развития, как это было на протяжении последних нескольких лет на предыдущих этапах. Мы с нетерпением ждем возможности предоставить миру первый квантовый аппарат и поделиться энергией наших достижений со всем миром», — написал Нааяк в ответе.
Прошлые сомнительные работы исследователей, связанных с Microsoft, добавляют сомнений. В 2021 году журнал Nature отозвал статью исследователей, связанных с Microsoft, в которой они утверждали о наличии убедительных экспериментальных доказательств создания частицы Майораны.
«Вся эта технология Майораны еще не является технологией», — говорит Раджибул Ислам из Университета Ватерлоо.
«Мы вычисляем с помощью этих систем и с нетерпением ждем возможности предоставить квантовый компьютер, который будет использовать их во всей полноте в будущем», — написал Нааяк в ответе.
Для типов кубитов, существование которых эксперты признают, компании теперь обещают более крупные машины. К 2029 году IBM планирует построить квантовый компьютер размером с центр обработки данных, содержащий 200 логических (или исправленных на ошибки) кубитов. Quantinuum поставила аналогичную цель — машину со сотнями логических кубитов — на 2030 год.
«Нет доказательств масштабируемости какой-либо платформы до уровня, необходимого для выполнения полезных квантовых вычислений в течение десятилетия или, вероятно, пары десятилетий».
Хотя машины будут определенно больше, неясно, смогут ли они делать что-то полезное. «Я шутил наполовину всерьез: если бы кто-то дал мне сейчас [исправленный на ошибки] компьютер с несколькими сотнями кубитов, мне было бы неясно, что мы будем с ним делать», — говорит Сельс.
Даже оптимистичные эксперты имеют разные мнения о том, когда квантовый компьютер продемонстрирует что-то полезное. Элеонор Крэйн из Королевского колледжа Лондона недавно получила время на квантовом компьютере Google для симуляции простой модели взаимодействия фотонов с электронами, что происходит как в солнечных элементах, так и при фотосинтезе. «Если бы мы поняли этот процесс, мы не только узнали бы, что происходит в природе, но и поняли бы, как создавать более эффективные солнечные элементы», — говорит Крэйн.
Она считает, что исследователи продемонстрируют полезную научную симуляцию на квантовом компьютере к 2028 году. Хоук думает, что это произойдет до 2035 года. Крэйн считает, что квантовый компьютер сможет взломать шифрование RSA к 2030 году, в то время как Ислам полагает, что это займет не менее десятилетия.
Лэгг более скептичен и считает, что некоторые недооценивают фундаментальные проблемы масштабирования. «Нет доказательств масштабируемости какой-либо платформы до уровня, необходимого для выполнения полезных квантовых вычислений в течение десятилетия или, вероятно, пары десятилетий», — говорит он.
Хотя исследователи продвинулись в создании полезного квантового компьютера, неясно, каково именно это применение должно быть. «Это такая зарождающаяся технология», — говорит Ислам. «Если спросить, для чего хорош квантовый компьютер, я не знаю ни одного применения, которое было бы гарантированным успехом».
Поделиться
