10 ключевых моментов в истории, определивших будущее квантовых компьютеров

Компьютеры, использующие законы квантовой механики, вскоре смогут решать проблемы, которые невозможно решить с помощью существующих технологий. Современные ПК, несмотря на их постоянное усовершенствование, пока далеки от этого, но область квантовых вычислений достигла значительного прогресса с момента своего зарождения. Вот 10 важнейших вех на этом пути.

1980-1981: Рождение квантового компьютера

К 1970 годам ученые начали думать о потенциальной взаимосвязи между новыми областями квантовой механики и теорией информации. Американский физик Пол Бениофф кристаллизовал многие из этих идей, когда опубликовал описание квантового компьютера. Он предложил квантовую версию машины Тьюринга — теоретической модели компьютера, способного реализовать любой алгоритм. Показав, что такое устройство можно описать с помощью уравнений квантовой механики, Бениофф заложил основы для новой области.

И Бениофф, и физик Ричард Фейнман выступили с докладами о квантовых вычислениях на первой конференции Physics of Computation в 1981 году. Фейнман в докладе указал, что поскольку физический мир является квантовым по своей природе, для его точного моделирования требуются компьютеры, которые аналогичным образом работают на основе правил квантовой механики. Он ввел понятие квантового симулятора, который не может реализовать никакую программу, как машина Тьюринга, но может использоваться для моделирования квантово-механических явлений. Этот доклад часто считают причиной возникновения интереса к квантовым вычислениям как к дисциплине.

1985: Универсальный квантовый компьютер

Одной из основополагающих концепций в информатике является идея универсальной машины Тьюринга. Это особый вид машины Тьюринга, которая может имитировать поведение любой другой машины Тьюринга, позволяя ей решать любую вычислимую задачу. Однако Дэвид Дойч, профессор квантовой теории вычислений, описал в своей статье от 1985 года, что универсальный компьютер, описанный Тьюрингом, опирался на классическую физику, поэтому он не сможет имитировать квантовый компьютер. Он переформулировал работу Тьюринга, используя квантовую механику, чтобы разработать универсальный квантовый компьютер, который способен имитировать любой физический процесс.

1994: Первый случай использования квантовых компьютеров

Математик Питер Шор стал первым, кто представил квантовый алгоритм, который мог эффективно факторизовать большие числа. Факторизация — это процесс нахождения наименьшего набора чисел, которые можно объединить для создания большего. Этот процесс становится все более сложным для больших чисел и является основой для многих ведущих схем шифрования. Алгоритм Шора может решать эти задачи экспоненциально быстрее, чем классические компьютеры, однако есть опасения, что квантовые компьютеры могут быть использованы для взлома современного шифрования и стимулируя развитие постквантовой криптографии.

1996: Квантовые вычисления ускоряют поиск

В 1996 году ученый-компьютерщик Bell Labs Лов Гровер предложил квантовый алгоритм для неструктурированного поиска, который относится к поиску информации в базах данных без очевидной системы организации. Это похоже на поиск иголки в стоге сена и является распространенной проблемой в информатике, но даже лучшие классические алгоритмы поиска могут оказаться медленными при столкновении с большими объемами данных. Алгоритм Гровера использует квантовое явление суперпозиции для значительного ускорения процесса поиска.

1998: Первая демонстрация квантового алгоритма

Придумывать квантовые алгоритмы «на бумаге» — это одно, но реализовать их на практике оказалось гораздо сложнее. В 1998 году группа под руководством исследователя IBM Айзека Чжуана продемонстрировала, что может запустить алгоритм Гровера на компьютере с двумя кубитами — квантовым эквивалентом битов. Три года спустя Чжуан также возглавил первую реализацию алгоритма Шора на квантовом оборудовании, разложив число 15 с помощью семикубитного процессора.

1999: Рождение сверхпроводящего квантового компьютера

Основные строительные блоки квантового компьютера, известные как кубиты, могут быть реализованы в широком спектре различных физических систем. Но в 1999 году физики японской технологической компании NEC натолкнулись на подход, который впоследствии стал самым популярным подходом к квантовым вычислениям и остается таковым на сегодняшний день. В статье в Nature они показали, что могут использовать сверхпроводящие схемы для создания кубитов и что они могут управлять этими кубитами электронным способом. 

2011: Первый коммерческий квантовый компьютер

Запуск первого коммерчески доступного квантового компьютера канадской компанией D-Wave в мае 2011 года ознаменовал начало индустрии квантовых вычислений. Компьютер D-Wave One имел 128 сверхпроводящих кубитов и стоил примерно $10 млн. 

Однако устройство не было универсальным квантовым компьютером — оно использовало подход, известный как квантовый отжиг, для решения определенного вида оптимизационной задачи. Также было недостаточно доказательств того, что компьютер обеспечивал какое-либо ускорение по сравнению с классическими подходами.

2016: Квантовый компьютер становится доступным через облако

Однако большинство ученых и начинающих разработчиков квантовых вычислений не имели возможности экспериментировать с этой технологией. В мае 2016 года IBM сделала свой пятикубитный процессор доступным через облако, что позволило сторонним компьютерщикам запускать задачи по квантовым вычислениям на оборудовании IBM. В течение двух недель более 17 000 человек зарегистрировались на сервисе IBM Quantum Experience.  А в 2023 году количество пользователей IBM Quantum превысило 450 000 человек.

2019: Google заявляет о «квантовом превосходстве», но к этому есть вопросы

Несмотря на теоретические обещания огромного ускорения, не удалось продемонстрировать, что квантовый процессор может решить задачу быстрее, чем классический компьютер. Но в сентябре 2019 года появились новости, что Google использовала 53 кубита для выполнения вычисления за 200 секунд, на что, по утверждению компании, суперкомпьютеру потребуется около 10 000 лет. При этом перед компьютерщиками не стояло конкретной задачи: процессор Google просто выполнял случайные операции, а исследователи подсчитывали, сколько времени потребуется для их выполнения на классическом компьютере. Но результат был воспринят как первый пример «квантового превосходства».

Заявление Google было встречено скептически — конкуренты утверждали, что ускорение было преувеличено. Группа из Китайской академии наук и других учреждений в 2022 году показала, что преувеличение действительно имело место — они разработали классический алгоритм, который мог имитировать квантовые операции Google всего за 15 часов на 512 чипах GPU. Специалисты утверждали, что с доступом к одному из крупнейших в мире суперкомпьютеров они могли бы выполнить эти задачи за считанные секунды.

2023: Гонка кубитов

Одно из самых больших препятствий для развития современных квантовых компьютеров — это подверженность базового оборудования ошибкам. Из-за особенностей квантовой механики исправление этих ошибок является сложной задачей, и давно известно, что для создания так называемых «логических кубитов», которые защищены от ошибок и способны надежно выполнять операции, потребуется много физических кубитов. В декабре 2023 года исследователи из Гарварда, работающие со стартапом QuEra, побили рекорд, сгенерировав 48 логических кубитов одновременно — в 10 раз больше, чем кто-либо ранее достигал. Команда смогла запустить алгоритмы на этих логических кубитах, что стало важной вехой на пути к отказоустойчивым квантовым вычислениям.