Подразделение квантовых вычислений Google сообщило, что его процессор Willow достиг вычислительной вехи, на воспроизведение которой классическим суперкомпьютерам потребуется около 10 000 лет — выполнение задачи менее чем за четыре минуты. Результат, опубликованный вПрирода, представляет собой значительный шаг вперед по сравнению с демонстрацией квантового превосходства Google в 2019 году и, что более важно, демонстрирует свойство, за которым исследователи гонялись в течение двух десятилетий: коррекция ошибок, которая улучшается по мере масштабирования системы.

Это заявление имело вес подлинной научной значимости. В отличие от результата 2019 года, который был немедленно оспорен IBM, которая утверждала, что их классические суперкомпьютеры могут решить ту же проблему за несколько дней, результат Уиллоу был тщательно изучен независимо, и запас превосходства на несколько порядков больше. На этот раз реакция научного сообщества была заметно менее скептической.

Что на самом деле было решено

Конкретная проблема — вариант случайной выборки схемы — сама по себе не приносит прямой пользы. Он включает в себя выборку выходного распределения случайной квантовой схемы — задачу, сложную в вычислительном отношении для классических компьютеров, но естественную для квантовых. Задача была выбрана именно потому, что она хорошо изучена теоретически и позволяет проверить квантовый результат и рассчитать, сколько времени потребуется классическому компьютеру, чтобы воспроизвести его.

Цифра в 10 000 лет относится к самому известному классическому алгоритму, работающему на самом мощном суперкомпьютере в мире. Это не утверждение, что ни один классический алгоритм никогда не сможет решить проблему быстрее — заявления о квантовом превосходстве всегда относятся к наиболее известным классическим методам, а классические алгоритмы со временем совершенствуются. Но запас достаточно велик, чтобы его классическое закрытие потребовало бы прорыва, сопоставимого по величине с самим квантовым прогрессом.

Что еще более важно, Уиллоу демонстрирует ключевое свойство, которое ускользнуло от квантовых компьютеров: коррекция ошибок, которая улучшается по мере масштабирования системы. Предыдущие квантовые процессоры становились менее надежными по мере добавления большего количества кубитов — ошибки накапливались быстрее, чем их можно было исправить. Уиллоу демонстрирует противоположную тенденцию. Поскольку Google добавил больше кубитов в код исправления ошибок, частота логических ошибок снизилась экспоненциально. Это поведение, которое предсказывает квантовая теория исправления ошибок, но которое ни одна физическая система ранее не продемонстрировала убедительно.

Почему исправление ошибок — настоящий прорыв

Чтобы понять, почему это важно, необходимо понять фундаментальную проблему квантовых вычислений. Квантовые биты (кубиты) чрезвычайно чувствительны к возмущениям окружающей среды — теплу, электромагнитным помехам и даже космическим лучам, которые могут вызывать ошибки. Классические компьютеры справляются с ошибками с помощью избыточности и кодов, исправляющих ошибки, но применить тот же подход к квантовым компьютерам гораздо сложнее, поскольку квантовые состояния невозможно скопировать (теорема о запрете клонирования), а измерение квантового состояния разрушает его.

Квантовая коррекция ошибок работает путем кодирования одного логического кубита во множество физических кубитов таким образом, что позволяет обнаруживать и исправлять ошибки без непосредственного измерения логического состояния. Теория была понятна с 1990-х годов, но для ее реализации на практике требуются физические кубиты с частотой ошибок ниже определенного порога — и поддерживать этот порог по мере масштабирования системы оказалось чрезвычайно сложно.

Демонстрация Уиллоу того, что частота ошибок уменьшается по мере масштабирования системы, является первым убедительным доказательством того, что физическая квантовая система может работать ниже порога коррекции ошибок в масштабе. Это не означает, что отказоустойчивые квантовые вычисления неизбежны — уровень ошибок все еще слишком высок для большинства практических приложений — но это демонстрирует, что путь к отказоустойчивости открыт. Вопрос больше не в том, возможна ли физически масштабируемая квантовая коррекция ошибок, а в том, сколько времени потребуется, чтобы достичь уровня ошибок, необходимого для полезных вычислений.

Последствия для криптографии

Криптографическое сообщество внимательно следит за прогрессом квантовых вычислений, поскольку достаточно мощные квантовые компьютеры могут взломать RSA и шифрование на основе эллиптических кривых — основы большей части интернет-безопасности. Результат Уиллоу возобновил этот разговор, хотя непосредственная угроза менее остра, чем предполагают некоторые заголовки.

«Мы еще не достигли цели», — говорит доктор Мишель Моска из Института квантовых вычислений. «Но сегодняшний результат является четким сигналом о том, что к срокам криптографически значимых квантовых вычислений необходимо относиться серьезно. Организации, которые еще не начали переход на постквантовую криптографию, должны начать прямо сейчас».

Для взлома RSA-2048 — наиболее распространенного стандарта шифрования — потребуется отказоустойчивый квантовый компьютер с миллионами логических кубитов. У Уиллоу 105 физических кубитов. Разрыв огромен. Но демонстрация масштабируемой коррекции ошибок означает, что этот разрыв теперь является вопросом инженерии, а не фундаментальной физики. Стандарты постквантовой криптографии NIST, окончательно утвержденные в 2024 году, обеспечивают путь миграции, которому должны следовать организации, а результат Уиллоу является убедительным аргументом в пользу срочности.

Наиболее уязвимыми являются системы с длительным сроком хранения данных. Зашифрованные данные, перехваченные сегодня, можно будет сохранить и расшифровать позже, когда квантовые компьютеры станут достаточно мощными. Спецслужбы и враждебные национальные государства почти наверняка делают именно это — стратегию, известную как «собери сейчас, расшифровай позже». Для данных, которые должны оставаться конфиденциальными в течение 10 и более лет, переход на постквантовую криптографию не является обязательным.

Открытие лекарств и молекулярное моделирование

Более перспективным применением является молекулярное моделирование. Квантовые компьютеры естественным образом подходят для моделирования квантово-механических систем, включая поведение молекул. Точное молекулярное моделирование может значительно ускорить открытие лекарств, позволяя исследователям проверять потенциальных кандидатов на лекарства вычислительно, прежде чем синтезировать одну молекулу.

Современные классические компьютеры могут точно моделировать молекулы размером примерно до 50 атомов. Помимо этого, сложность вычислений растет экспоненциально, и становятся необходимыми приближения. Многие из наиболее важных биологических молекул — белков, ферментов, мишеней лекарств — намного превышают этот предел. Отказоустойчивый квантовый компьютер мог бы точно моделировать эти молекулы, потенциально идентифицируя кандидатов на лекарства, которые классические методы полностью пропустили бы.

Срок действия этого приложения превышает время угрозы криптографии. Молекулярное моделирование требует отказоустойчивых квантовых компьютеров с тысячами логических кубитов, а до этого еще годы. Но фармацевтические компании, в том числе Roche, Pfizer и Merck, уже инвестируют в исследования квантовых вычислений, готовясь использовать эту технологию, когда она станет зрелой.

Материаловедение и климатические применения

Помимо открытия лекарств, квантовое моделирование может изменить материаловедение. Разработка более качественных катализаторов для промышленных химических процессов, в том числе процесса Хабера-Боша, в ходе которого производятся удобрения, на долю которых приходится примерно 2% мирового потребления энергии, может иметь огромные экономические и экологические последствия. Разработка более качественных материалов для солнечных батарей, более совершенных химических процессов в батареях и более совершенных сверхпроводников — все это проблемы, решение которых может ускорить квантовое моделирование.

Климатические последствия потенциально значительны. Многие из наиболее важных технологий чистой энергии — солнечные элементы нового поколения, сверхпроводники при комнатной температуре, более совершенные электролизеры для производства экологически чистого водорода — ограничены нашей неспособностью создавать материалы с точно правильными квантово-механическими свойствами. Квантовые компьютеры могут устранить это ограничение.

Конкурентная среда

Google не одинок в гонке за создание полезных квантовых компьютеров. У IBM есть собственная дорожная карта, цель которой — создать 100 000 физических кубитов к 2033 году. Microsoft придерживается принципиально иного подхода, используя топологические кубиты, которые теоретически более устойчивы к ошибкам. IonQ и Quantinuum создают квантовые компьютеры с захваченными ионами, которые имеют более низкую частоту ошибок, чем сверхпроводящие кубиты, но их сложнее масштабировать. Китайская программа квантовых вычислений, базирующаяся в Университете науки и технологий Китая, продемонстрировала результаты своего превосходства.

Разнообразие подходов отражает реальную неопределенность относительно того, какая физическая платформа в конечном итоге окажется наиболее практичной для отказоустойчивых квантовых вычислений. Каждый подход имеет разные компромиссы между качеством кубитов, масштабируемостью и условиями эксплуатации. Поле еще достаточно рано, поэтому победная платформа не очевидна.

Что будет дальше

Дорожная карта Google предусматривает создание к концу десятилетия отказоустойчивого квантового компьютера, способного выполнять практические алгоритмы с достаточно низким уровнем ошибок для реальных приложений. Сохранится ли этот график, будет зависеть от дальнейшего прогресса в исправлении ошибок, качества кубитов и классических систем управления, которые управляют квантовыми процессорами.

Результат Willow — это настоящая веха, а не маркетинговое объявление. Это демонстрирует, что фундаментальная физика масштабируемой квантовой коррекции ошибок работает так, как предсказывает теория. Сохраняющиеся инженерные проблемы огромны, но это инженерные проблемы, которые требуют постоянных инвестиций и усилий. Эра практически полезных квантовых вычислений ближе, чем на прошлой неделе.

Источники и дополнительная литература