В надпреварата за създаване на функциониращ квантов компютър – финалната

В конкуренцията за основаване на работещ квантов компютър – финалната линия може към този момент да е на хоризонта.

Поредица от скорошни софтуерни пробиви значи, че водещи софтуерни компании се състезават да станат първите, които ще разширят досегашните лабораторни опити до пълноразмерни, работещи системи.

През юни IBM стана следващата компания, която съобщи, че пътят ѝ към машина в цялостен мащаб към този момент е явен, откакто разгласява проект за квантов компютър, запълващ основни изчезнали детайли от по-ранни планове.

Квантовите компютри имат капацитета да вземат решение задания, които са отвън опциите на днешните машини, в области като науката за материалите и изкуствения разсъдък.

„ Вече не се усеща като фантазия “, споделя Джей Гамбета, началник на квантовата самодейност на IBM, пред Financial Times.

„ Наистина усещам, че разкодирахме казуса и ще можем да построим тази машина до края на десетилетието. “

Това ускори конкуренцията с Гугъл, която твърди, че също е напът да построи промишлен квантов компютър до края на десетилетието.

„ Всички оставащи инженерни и научни провокации са преодолими “, споделя Джулиан Кели, началник на хардуера в Гугъл Quantum AI.

И въпреки всичко, даже когато оставят зад тила си някои от най-трудните научни проблеми и се готвят за заключителен спринт, фирмите към момента се сблъскват с редица рутинно звучащи, само че все по този начин сложни инженерни задания, с цел да индустриализират технологията.

Оставащите трудности „ наподобяват механически по-малко предизвикателни от фундаменталната физика, само че не трябва да подценяваме инженерните старания за мащабиране “, споделя Оскар Пейнтър, отговарящ за квантовия хардуер в Amazon Web Services. Той предвижда в изявление за FT, че потребен квантов компютър към момента е на 15–30 години разстояние.
Преминаване към промишлен мащаб
Достигането на промишлен мащаб значи системи с по-малко от 200 кубита – главните градивни блокове на квантовите машини – да се разширят до 1 милион кубита или повече. Компаниите съпоставят това с ранните дни на стандартните компютри, въпреки че квантовите носят спомагателни провокации.

Сред най-трудните е присъщата неустойчивост на кубитите, които резервират квантовите си положения – когато могат да правят потребни калкулации – единствено за елементи от секундата. Това води до декохерентност или „ звук “, който се усилва при прибавянето на все по-голям брой кубити.

Ясен образец за рестриктивните мерки при мащабиране се появи, когато IBM усили броя кубити в пробния си чип Condor до 433, което докара до „ кръстосани разстройства “ (crosstalk) сред съставените елементи.

Подреждането на огромен брой кубити „ основава чудноват резултат, който към този момент не можем да направляваме “, споделя Субодх Кулкарни, основен изпълнителен шеф на Rigetti Computing – американски стартъп, който също работи с кубити от свръхпроводници, същата технология, употребена от IBM и Гугъл.

„ Това е противен проблем за решение. “
От самостоятелно „ конфигуриране “ до всеобщо произвеждане
В първите пробни системи кубитите са били „ настройвани “ самостоятелно, с цел да се усъвършенства работата им. Сложността и цената вършат това непрактично в огромен мащаб, което води до търсене на по-надеждни съставни елементи – нещо, което ще изисква непрекъснати усъвършенствания в производството и нови пробиви в материалите.

Гугъл също декларира, че цели да понижи цената на съставените елементи 10 пъти, с цел да доближи задачата от 1 милиард $ за машина в цялостен мащаб.

Компаниите споделят, че техните системи ще могат да толерират известна степен на несъвършенство в кубитите с помощта на техника, известна като промяна на неточности.

Тя работи посредством прекопирване на данни сред няколко кубита, създавайки остатък, който се задейства, когато даден съставен елемент се повреди.

Досега единствено Гугъл е демонстрирала квантов чип, кадърен да прави промяна на неточности при увеличение на размера. Според представител на Гугъл всяка компания, която се опита да мащабира, без да е постигнала това, би приключила с „ доста скъпа машина, която изкарва звук, харчи сила, гълтам времето на доста хора и инженерни старания и не носи никаква стойност “.

IBM твърди, че е фокусирана върху най-важното предизвикателство – да покаже, че може да оперира система в доста огромен мащаб, и слага под въпрос дали методът на Гугъл към корекцията на неточности ще работи в пълноразмерна система.

Техниката, употребена от Гугъл – лекомислен код – работи посредством свързване на всеки кубит в двумерна решетка със съседите му. Това изисква релативно огромен брой кубити, които да работят дружно, и допуска постигане на 1 милион кубита или повече за потребни калкулации.

Microsoft е решила да не преследва сходен дизайн, откакто е решила, че построяването на машини с 1 милион кубита носи прекалено много инженерни провокации.

IBM минава към друга форма на промяна на неточности – код с ниска компактност на надзор (low-density parity-check code) – за която твърди, че ще изисква с 90% по-малко кубити от метода на Гугъл..

Последният дизайн на IBM наподобява кадърен да създаде работеща машина в огромен мащаб, споделя Марк Хорват, анализатор в Gartner, само че прибавя, че този метод към момента съществува единствено на доктрина.

„ Те би трябвало да покажат, че могат да създават чипове, които го вършат “, прибавя той.
Общи трудности
Независимо от дизайна, фирмите се сблъскват с голям брой общи инженерни провокации.

Те включват понижаване на „ гнездото от кабели “, особено за ранните квантови системи, посредством намиране на нови способи за свързване на огромен брой съставни елементи в един чип, а по-късно и свързването на няколко чипа в модули.

Също по този начин ще са нужни доста по-големи профилирани охладители, с цел да се поберат пълноразмерни системи, които работят при извънредно ниски температури.

Подобни проблеми акцентират съществени дизайнерски решения, които могат да се окажат сериозни при мащабиране. Системите, употребяващи свръхпроводници за кубити – като тези на Гугъл и IBM – демонстрират едни от най-големите напредъци, въпреки техните кубити да са по-трудни за надзор и да би трябвало да работят при температури, близки до безспорната нула.

Конкурентни системи, които употребяват атоми като кубити – известни като уловени йони и неутрални атоми – или такива, които употребяват фотони, дават обещание да бъдат по-стабилни по природа. Но те имат други трудности – компликация при свързване на клъстерите от кубити в по-големи системи и по-бавна изчислителна скорост.

Цената и техническите провокации при мащабирането евентуално ще покажат кои технологии са по-практични.

Един знак за растящия формален интерес е, че предходната година Darpa – организацията за напреднали проучвателен планове на Пентагона – стартира необятен разбор на разнообразни квантови компании за да дефинира кои биха могли най-бързо да бъдат разширени до удобен мащаб.

Междувременно няколко компании неотдавна показаха коренно нови дизайни на кубити, за които настояват, че ще бъдат по-лесни за надзор.

Сред тях са Amazon и Microsoft, които декларират, че са овладели положение на материята, с цел да основат по-надеждни съставни елементи. Тези технологии са на доста ранен стадий, само че поддръжниците им настояват, че в последна сметка ще изпреварят останалите.

Това обаче не е забавило фирмите, които употребяват по-стари техники, разработвани от години.

„ Само тъй като е мъчно, не значи, че не може да се направи “, споделя Хорват от Gartner, обобщавайки увереността, която подхранва индустриалната конкуренция за мащабиране.