Кошачьи кубиты против космических лучей: Amazon придумала лекарство от квантовых ошибок

За последние три месяца крупнейшие технологические компании мира поочередно радовали нас новостями о прорывах в создании квантовых компьютеров. Вслед за Microsoft и Google свое достижение представила Amazon. Корпорации удалось продвинуться в решении фундаментальной проблемы, которая тормозит развитие перспективной технологии – высокой чувствительности к вычислительным ошибкам.

Инженеры разработали процессор Ocelot , работающий на "кошачьих кубитах" – квантовых элементах особого типа. Название концепции отсылает к знаменитому мысленному эксперименту Эрвина Шрёдингера, в котором кот, помещенный в закрытый ящик, находится одновременно в состоянии жизни и смерти. "Кошачий кубит" так же существует в суперпозиции двух противоположных квантовых состояний, но делает это особым образом. В отличие от обычных кубитов, которые легко теряют свои квантовые свойства при взаимодействии с окружением, "кошачьи" сохраняют стабильность даже под воздействием помех. Благодаря этому микросхемы на их основе могут работать без постоянных сбоев.

Достижение Amazon в сочетании с недавними разработками других компаний позволяет пересмотреть прогнозы появления первых рабочих квантовых компьютеров. Впрочем, мнения специалистов о том, когда же мир увидит полноценные устройства, способные решать реальные коммерческие задачи, пока разнятся.

Руководитель исследований Оскар Пейнтер из Центра квантовых вычислений Amazon Web Services (AWS) при Калифорнийском технологическом институте поделился своим мнением в интервью с BBC: "Еще пять лет назад мы говорили о том, что ждать придется лет 20-30. Теперь даже самый оптимистичный прогноз в десять лет звучит вполне реально", – пояснил ученый.

Подразделение AWS, предоставляющее облачные сервисы, намерено включить новую технологию в список услуг для клиентов. По словам Пейнтера, передовые разработки найдут применение и внутри самой компании – они помогут оптимизировать сложнейшую логистическую сеть розничного подразделения Amazon. "Для бизнеса наших масштабов даже однопроцентное повышение эффективности означает колоссальную экономию. Новые вычислительные мощности позволят находить оптимальные решения мгновенно, в режиме реального времени – в этом их основное преимущество", – объяснил исследователь.

Квантовые компьютеры принципиально отличаются от привычных нам машин. Обычная система оперирует битами – ячейками памяти, которые могут находиться только в одном из двух состояний: 0 или 1. А квантовая использует кубиты, способные существовать одновременно в обоих состояниях благодаря уникальному эффекту суперпозиции.

Еще одно важное свойство кубитов – квантовая запутанность. Она позволяет связывать состояния нескольких кубитов так, что изменение одного мгновенно влияет на все остальные, независимо от расстояния между ними. Таким образом квантовый компьютер может одновременно выполнять огромное количество параллельных вычислений, в то время как обычному приходится решать задачи последовательно.

Такие возможности открывают путь к решению задач, с которыми не справляются даже самые мощные современные суперкомпьютеры. Например, квантовые машины помогут моделировать сложные химические реакции для создания новых лекарств и материалов, оптимизировать логистические маршруты с миллионами переменных, разрабатывать более эффективные аккумуляторы и искать способы поглощения углекислого газа из атмосферы.

Однако главным препятствием остается беспрецедентная чувствительность к любым внешним воздействиям. Малейшие вибрации, колебания температуры, сигналы от телефонов и Wi-Fi роутеров – все это нарушает работу схем. Более того, даже космические лучи и радиация способны исказить результаты расчетов, а исправлять подобные сбои чрезвычайно сложно.

В основе кошачьих кубитов – специальные резонаторы, микроволновые полости, где фотоны колеблются с определенной частотой. Колебания создают два различных энергетических состояния с большим разрывом между ними, что делает случайные переходы практически невозможными. Возникает своеобразный энергетический барьер, не пропускающий внешние помехи. При этом сами вычисления происходят на более тонком уровне – между устойчивыми состояниями, позволяя сохранять квантовые свойства без сбоев. Такая архитектура кардинально отличается от традиционных методов, где приходится постоянно проверять и корректировать состояние каждого кубита.

Процессор Ocelot содержит пять "кошачьих кубитов", но даже в таком минимальном варианте сокращает затраты на исправление сбоев на 90% по сравнению с существующими методами. Среди остальных 14 компонентов микросхемы присутствуют все элементы, необходимые для полноценного функционирования.

Инженеры Amazon считают новый процессор первым шагом к созданию более мощных машин со встроенной системой защиты. Впрочем, они признают: впереди еще немало серьезных препятствий.

Директор британского Национального центра квантовых вычислений Майкл Катберт приветствовал успех Amazon, но призвал дождаться практических результатов. "Способность исправлять ошибки определит будущее отрасли. Только научившись справляться со сбоями, мы сможем применять новую технологию для решения задач в химии, создании материалов, медицине, логистике и энергетике", – подчеркнул эксперт.