Продолжаем говорить о модели простейшего квантового компьютера. Для понимания происходящего ниже рекомендуем ознакомиться с первой частью материала.
Хотя сгенерировать такой сигнал технически несложно, здесь есть значительные препятствия, когда речь идет об управлении сразу большим числом сигналов, которые понадобятся для практического использования реального квантового компьютера. Во-первых, сигналы, отправляемые на разные кубиты, должны быть синхронизированы в пикосекундных временных масштабах. Сложно описать малость этого промежутка времени. Например, самолет, летящий со скоростью в 800 км/ч, за это время сдвинется лишь на миллионную долю миллиметра. Во-вторых, вам нужен какой-то способ передать эти разные сигналы разным кубитам, чтобы заставить их делать разные вещи. Это очень серьезная проблема.
В современных маломасштабных системах, где всего несколько десятков кубитов, каждый кубит настроен на свою собственную частоту — представьте себе, что это радиоприемник, настроенный на определенный канал. Вы можете передать данные кубиту, послав их на определенной частоте. Это действительно работает, но эта стратегия не масштабируется.
Причина в том, что сигналы, посылаемые кубиту, должны иметь разумную полосу пропускания — скажем, 10 мегагерц. А если компьютер содержит миллион кубитов, то для такой сигнальной системы потребуется полоса пропускания в 10 терагерц, что просто невозможно в современных реалиях. Также невозможно построить миллион отдельных «линий связи», чтобы посылать данные каждому кубиту на одинаковой частоте.
Решение, вероятно, будет включать сочетание частотного и пространственного мультиплексирования (то есть уплотнение канала). Кубиты будут изготавливаться группами, причем каждый кубит в группе настраивается на свою частоту. Квантовый компьютер будет содержать много таких групп, и все они будут подключены к аналоговой сети связи, которая позволит генерировать сигнал, на который «отзовется» только определенная группа кубитов. Правильно настроив частоту сигнала и сетевые подключения, вы сможете манипулировать целевым кубитом или набором кубитов, не затрагивая другие.
Такой подход должен работать, но такое мультиплексирование с аналоговой связью имеет свою цену: а именно неточности в управлении. Остается определить, как можно преодолеть такие неточности.
В современных квантовых системах слои цифровой и аналоговой обработки работают в основном при комнатной температуре. Только следующий за ними слой квантовой обработки, который и содержит кубиты, имеет температуру вблизи абсолютного нуля. Но по мере увеличения числа кубитов в будущих системах электронику, составляющую все эти три слоя, несомненно, придется интегрировать в один общий криогенный чип.
Некоторые компании в настоящее время строят то, что можно назвать предварительными прототипами, основанными главным образом на сверхпроводящих кубитах. Эти машины содержат максимум несколько десятков кубитов и способны выполнять от десятков до сотен когерентных квантовых операций. К компаниям, придерживающимся такого подхода, относятся технологические гиганты Google, IBM и Intel.
Увеличив число линий управления, инженеры могут расширить существующие квантовые архитектуры до нескольких сотен кубитов, но это максимум. А то короткое время, в течение которого эти кубиты остаются когерентными (то есть запутанными) — на сегодня это примерно 50 микросекунд — будет ограничивать количество квантовых операций, которые могут быть выполнены до того, как расчеты утонут в ошибках.
Учитывая эти ограничения, основное применение, которое можно ожидать для систем с несколькими сотнями кубитов — это своеобразные ускорители для обычных суперкомпьютеров. Конкретные задачи, с которыми квантовый компьютер работает быстрее, будут отправлены с суперкомпьютера на квантовый компьютер, а результаты затем будут возвращены на суперкомпьютер для дальнейшей обработки.
Квантовый компьютер в некотором смысле будет действовать как видеокарта в вашем ПК, выполняя определенные расчеты, такие как обучение нейросетей или рендер видео, намного быстрее, чем обычный процессор.
Квантовый компьютер от IBM, работает с 50 кубитами.
На следующем этапе развития квантовых компьютеров построение прикладного уровня будет довольно простым. Уровень цифровой обработки также будет относительно простым. Но построить все три слоя, которые составляют QPU (quantum processing unit, блок квантовой обработки данных), будет непросто.
Современные технологии изготовления не позволяют получить полностью однородные кубиты. Так что разные кубиты имеют немного разные свойства. Эта неоднородность, в свою очередь, требует адаптации аналогового уровня QPU к конкретным кубитам, которые он контролирует. Необходимость настройки усложняет процесс построения QPU. Гораздо большая однородность при изготовлении кубитов избавит от необходимости настраивать то, что происходит в аналоговом слое, и позволит мультиплексировать управляющие и измерительные сигналы.
Мультиплексирование потребуется для числа кубитов больше нескольких сотен — крупные компании будут способны создавать такие квантовые компьютеры через 5-10 лет, если получится настроить коррекцию ошибок. Основная идея такой коррекции достаточно проста: вместо хранения данных в одном физическом кубите, большое число физических кубитов объединяются в один логический кубит, в котором несколько физических кубитов становятся коррекционными.
Такая квантовая коррекция ошибок может решить фундаментальную проблему декогеренции, но для этого потребуется от 100 до 10000 физических кубитов на один логический кубит. И это не единственное препятствие. Реализация исправления ошибок потребует наличия петли обратной связи с высокой пропускной способностью и низкой задержкой, охватывающей все три уровня QPU.
Остается выяснить, какой из множества типов кубитов, с которыми сейчас экспериментируют — сверхпроводящие схемы, спиновые кубиты, фотонные системы, ионные ловушки, азото-замещенные вакансии и т.д. — окажется наиболее подходящим для создания логических кубитов, необходимых для исправления ошибок. Независимо от того, что окажется лучше, уже ясно, что успех потребует упаковывания и контроля сотен тысяч и даже миллионов физических кубитов, если не больше.
Что подводит нас к главному вопросу: действительно ли это можно сделать? Миллионы кубитов должны контролироваться непрерывными аналоговыми сигналами. Это сложно, но ни в коем случае не невозможно. Исследователи подсчитали, что если бы однородность кубитов можно было улучшить на несколько порядков, то управляющие сигналы, используемые для исправления ошибок, можно было бы мультиплексировать, и конструкция аналогового слоя стала бы простой, а цифровой слой управлял бы схемой мультиплексирования. Такие будущие QPU не потребуют миллионов цифровых соединений, а лишь нескольких сотен или тысяч, которые могут быть построены с использованием современных методов проектирования и изготовления интегральных схем.
Чип D-Wave, имеющий 128 кубитов. Не является основой для полноценного квантового компьютера, так как может выполнять только ограниченный набор вычислений.
Более сложная задача вполне может оказаться на стороне измерений: чипу нужно будет выполнять многие тысячи измерений в секунду. Эти измерения должны быть спроектированы таким образом, чтобы они не влияли на квантовую информацию (которая остается неизвестной до конца расчета), в то же время выявляя и исправляя любые ошибки, возникающие во время вычислений. Измерение состояния миллионов кубитов тысячи раз в секунду потребует кардинальных изменений в философии измерений.
Современный способ измерения кубитов требует демодуляции (детектирования) и оцифровки аналогового сигнала. При частоте измерений в килогерцы с миллионами кубитов в машине общая цифровая пропускная способность будет петабайт в секунду. Это слишком большой объем данных для обработки с использованием современных методов, которые подразумевают связь между электроникой, находящейся при комнатной температуре, и кубитами, которые работают при температуре около абсолютного нуля.
Очевидно, что аналоговый и цифровой уровни QPU должны быть интегрированы со слоем квантовой обработки на одном чипе, с некоторыми реализованными там умными схемами для предварительной обработки и мультиплексирования измерений. К счастью, для обработки, выполняемой для исправления ошибок, не все измерения кубитов должны быть переданы на цифровой уровень. Это необходимо сделать только в том случае, если локальная схема обнаруживает ошибку, которая резко снижает требуемую цифровую полосу пропускания.
То, что происходит в квантовом слое, фундаментально определяет, насколько хорошо будет работать компьютер. Несовершенство кубитов означает, что вам понадобится большее их количество для исправления ошибок, и по мере того, как эти несовершенства становятся все хуже, требования к вашему квантовому компьютеру резко вырастают за пределы текущей реальности. Но верно и обратное: улучшение качества кубитов может дорого обойтись инженерам, но это очень быстро окупит себя.
На нынешнем этапе предпрототипирования квантовых вычислений управление отдельными кубитами по-прежнему неизбежно: требуется получить максимальную отдачу от тех немногих кубитов, которые у нас сейчас есть. Однако вскоре, по мере увеличения числа доступных кубитов, исследователям придется разрабатывать системы для мультиплексирования управляющих сигналов и измерения кубитов.
Криопроцессор Intel — по сути прототип объединения обычного и квантового компьютера.
Следующим значительным шагом станет введение элементарных форм исправления ошибок. Первоначально будет два параллельных пути развития, один с исправлением ошибок, а другой — без, но квантовые компьютеры с коррекцией ошибок в конечном итоге будут доминировать. Просто не существует другого пути к созданию квантовой машины, которая сможет выполнять реальные задачи.
Чтобы подготовиться к этому, проектировщикам чипов, инженерам-технологам по изготовлению микросхем, специалистам по криогенному контролю, экспертам в области обработки массовых данных, разработчикам квантовых алгоритмов и другим людям необходимо будет тесно сотрудничать, что тоже непросто.
Такое сложное сотрудничество выиграло бы от международной дорожной карты квантовой инженерии. Таким образом, различные необходимые задачи могут быть возложены на различные группы задействованных специалистов, а издатели «дорожной карты» будут управлять коммуникацией между группами. Объединив усилия университетов, научно-исследовательских институтов и коммерческих компаний, человечество сможет преуспеть в создании практических квантовых компьютеров, получив таким образом огромные вычислительные мощности для будущих расчетов.
