Кванттық есептеулердің басты шектеушісі — классикалық чиптермен бәсекелестік емес, физиканың іргелі заңдары. Кубиттер кез келген сыртқы әсерге соншалықты сезімтал, тіпті ең кішкентай шу есептеулерге қажетті нәзік кванттық күйді бұзуы мүмкін. Бұл сала ондаған жылдар бойы шешуге тырысып келе жатқан негізгі мәселе.

Қысқа жауап

Кванттық компьютерлер әдеттегі дербес компьютерлерді ығыстырмайды, смартфондарда пайда болмайды және стандартты қосымшаларды іске қоспайды. Себеп тек технологияның қазіргі деңгейінде ғана емес, кубиттердің табиғатында: олар жылулық шу, діріл және электромагниттік кедергілер салдарынан когеренттілігін жоғалтады. Қателер алгоритм күрделілігінің артуымен экспоненциалды түрде жинақталады, бұл түзету жүйелерінсіз ұзақ есептеулерді мағынасыз етеді. Бұған қарсы тұру үшін кванттық ақпарат бірнеше физикалық кубиттер арасында бөлініп, тұрақты логикалық кубит құрылады.

Неліктен бұлай болады

Ауада айналатын тиынды елестетіңіз: ол құлағанша оның күйі анықталмаған. Кубит осыған ұқсас жұмыс істейді, екі күйдің суперпозициясында болады. Кез келген сыртқы әсер — жылулық флуктуациялар, материалдардың немесе басқару сигналдарының жетілмегендігі — жүйеге «көз салып», суперпозицияны бұзады. Дәл осы себепті нарық көшбасшыларының асқын өткізгіш процессорлары реликті сәулелену температурасынан (~2,72 К) айтарлықтай төмен, 10–20 милликельвинге дейін салқындатылады. Бұл шуды азайтады, бірақ өте күрделі криогендік инфрақұрылымды қажет етеді.

Физикалық кубит — бұл нақты жүйе: асқын өткізгіш тізбек, тұзақтағы ион, фотон немесе электрондық спин. Асқын өткізгіштердегі екі кубиттік операциялардың қателігі әдетте 0,1–1% құрайды. Дегенмен прогресс айқын: Quantinuum H1-1 платформасы барлық кубит жұптарында 99,914% дәлдікке жетті, ал оның 98 кубиттік Helios процессоры — 99,921%. Асқын өткізгіш жүйелер арасында IQM CZ-вентилінің 99,91% дәлдігін көрсетті, ал IBM Egret және Heron желілерінде шамамен 99,9% деңгейіне шықты.

Логикалық кубит — бұл кванттық қателерді түзету (QEC) арқылы күйді көптеген физикалық кубиттер арасында бөлу арқылы қателерден қорғалған ақпарат бірлігі. Ең перспективалы тәсілдердің бірі — беттік код, ол операциялардың локалдылығымен және қателерге төзімділіктің теориялық шегі шамамен 1% болуымен ерекшеленеді.

Соңғы эксперименттер таңғалдырады:

  • Google Quantum AI компаниясының Willow процессоры беттік код шегінен төмен жұмыс істеуді көрсетті: физикалық кубиттер торының ұлғаюымен логикалық қателер жиілігі әрбір масштабтау қадамында екі еседен астам төмендеді.
  • 98 барий-137 ионын қолданатын Quantinuum Helios, шамамен екі физикалық кубитке бір логикалық кубит қатынасында қателерді түзететін 48 логикалық кубитті көрсетті.
  • Гарвард, MIT және QuEra зерттеушілері 448 бейтарап атомдық процессорды қолданып, ондаған логикалық кубиттері бар схемаларды орындады — жеке конфигурацияларда 96-ға дейін.

Бұрын бір логикалық кубитке ~1000 физикалық кубит қажет деп есептелді, бұл коммерциялық маңызды тапсырмалар үшін миллион кубиттік бағалауларға әкелді. Алайда жоғары жылдамдықты qLDPC-кодтар бұл шығындарды бір реттік қысқартуы мүмкін — бір логикалық кубитке ондаған физикалық кубитке дейін.

Бұл тәжірибеде нені білдіреді

Жаппай қатеге төзімді кванттық жүйелер әзірге тек жол карталарында қалып отыр. IBM 2029 жылға қарай 200 логикалық кубиттен тұратын, 100 миллион операцияны орындай алатын Starling жүйесін салуды жоспарлап отыр. Бірақ сәтті іске асырылғанның өзінде бұл классикалық суперкомпьютердің жанындағы тар мамандандырылған бұлттық сопроцессор болады, деректер орталығын алмастырмайды. Физикалық кубиттердің саны өздігінен аз нәрсені айтады: операциялардың сапасы, қателердің пайда болу жылдамдығы және жүйенің төмен сәтсіздік ықтималдығымен қолдай алатын логикалық кубиттер саны әлдеқайда маңызды.

Кванттық машиналар қай жерде шынымен күшті

Формальды дәлелденген артықшылық бозондық семплинг және кездейсоқ кванттық күйлерді генерациялау сияқты мамандандырылған тапсырмаларда бар. Шор алгоритмінің факторизация және дискретті логарифмдеу үшін жылдамдауы теориялық тұрғыдан негізделген. Табиғатты модельдеуде серпіліс күтілуде: фармацевтика (молекулаларды дәл есептеу), материалтану (асқын өткізгіштерді іздеу), химия (катализаторлар жасау). Оптимизация мен қаржыда артықшылық әзірге дәлелденбеген, ал күнделікті тапсырмаларда — мәтінмен жұмыс, файлдарды сақтау, ойындар — классикалық процессорлар бәсекелестіктен тыс.

Алда не бар

Егер технология соншалықты қыңыр және қымбат болса, неге корпорациялар мен мемлекеттер оған миллиардтар салып жатыр? Келесі шығарылымда мен саланың инвестициялық логикасын талдап, көреген ставка мен көпіршік арасындағы шекараның қай жерде өтетінін анықтауға тырысамын.

Менің көзқарасым: Біз «кванттық үстемдіктен» «кванттық пайдалылыққа» өту табалдырығында тұрмыз, бірақ бұл жол кемінде тағы бір онжылдықты алады. Инвесторлар мен әзірлеушілер кубиттер саны үшін жарысқа емес, практикалық алгоритмдерге және кванттық сопроцессор классикалық инфрақұрылымды алмастырмай, толықтыратын гибридті шешімдерге назар аударуы керек.