В прошлом году в северо-восточном углу кампуса Калифорнийского технологического института возникло новое двухэтажное здание. Несмотря на скромный дизайн, то, что происходит внутри структуры, может изменить будущее компьютеров. Это здание — Центр квантовых вычислений AWS, созданный в результате партнерства Caltech и Amazon Web Services, подразделения Amazon по облачным вычислениям. Целью сотрудничества является создание квантовых компьютеров и связанных с ними технологий, которые могут революционизировать безопасность данных, машинное обучение, развитие медицины, методы устойчивого развития и многое другое.
Сотрудничество поможет связать коммерческую сторону квантовых вычислений с фундаментальными исследованиями, проводимыми в Калифорнийском технологическом институте, который имеет долгую историю прорывов в квантовых науках.
Это первое корпоративное партнерство, построенное на территории кампуса Калифорнийского технологического института, и оно отражает интересы Калифорнийского технологического института в продвижении фундаментальной науки на рынок. Посредством стипендий, стажировок и семинаров центр также будет поддерживать студентов Калифорнийского технологического института и молодых ученых.
Одна из самых больших проблем при создании квантовых компьютеров — это их масштабирование. Поскольку технология, лежащая в основе компьютеров, настолько сложна, существующие прототипы все еще находятся на экспериментальной стадии. Чтобы квантовые компьютеры действительно превзошли то, что можно сделать с современными классическими компьютерами — веха, называемая квантовым преимуществом, — они должны быть намного больше.
Например, сегодняшние рудиментарные квантовые компьютеры работают всего с несколькими десятками кубитов — квантовым эквивалентом битов или единиц и нулей, составляющих язык классических компьютеров. Исследователи хотят создавать квантовые компьютеры с тысячами кубитов и более.
По словам сотрудников вычислительного центра, несмотря на то, что в некоторых сообщениях СМИ говорится, что квантовые компьютеры уже не за горами, технология все еще находится в зачаточном состоянии.
Сейчас мы можем решать небольшие проблемы с квантовыми компьютерами, но нам необходимо масштабировать технологию на много порядков, прежде чем мы сможем по-настоящему решать проблемы с большим влиянием. Выяснение того, какие проблемы лучше всего решаются с помощью квантовых компьютеров, также является активной областью исследований. Возникает волнение, потому что мы начинаем управлять крупномасштабными квантовыми системами, но у нас еще нет ответов на все вопросы.
В отличие от битов, кубиты могут существовать в квантовом состоянии, известном как суперпозиция, где они одновременно имеют значение 1 и 0 и все возможные состояния между ними. Способность кубитов принимать сразу несколько состояний — это то, что дает квантовым компьютерам возможность быть экспоненциально более мощными, чем классические компьютеры, для решения определенных типов задач, в том числе проблем в химии, финансах, криптографии и т. д. Но у этой силы есть недостатки. Кубиты очень хрупкие: любые незначительные возмущения, такие как вибрация или тепло, могут вывести их из суперпозиции, явление, известное как декогеренция. Ключ к созданию успешных квантовых компьютеров будущего заключается в том, чтобы контролировать эти ошибки.
Основная цель AWS — создать компьютерную архитектуру, которая встраивает в оборудование квантовую коррекцию ошибок. Аппаратное обеспечение AWS основано на сверхпроводящих кубитах, которые работают при сверхнизких температурах чуть выше абсолютного нуля. Методы квантовой коррекции ошибок используют избыточные наборы кубитов на физическом аппаратном уровне ("физические" кубиты) для формирования "логических" кубитов, которые кодируют квантовую информацию и могут использоваться для обнаружения и исправления ошибок. Основная проблема при квантовой коррекции ошибок — это большое количество оборудования, связанного с количеством физических кубитов, необходимых на логический кубит.
Богатое наследие
Caltech хорошо подходит в качестве центра квантовых инноваций благодаря своей богатой истории в этой области. Покойный Ричард Фейнман, профессор физики Калифорнийского технологического института, был одним из первых, кто предложил квантовые компьютеры. В своей лекции 1981 года он, как известно, объяснил, что есть пределы для моделирования систем в физике с помощью классических компьютеров, потому что "природа не является классической, черт возьми, и если вы хотите создать симуляцию природы, вам лучше сделать ее квантово-механической, и, черт возьми, это замечательная проблема, потому что это не выглядит так просто".
В 1994 году выпускник Калифорнийского технологического института Питер Шор (BS '81), тогда работавший в Bell Labs, разработал квантовый алгоритм, который может разложить на множители большие числа за очень короткие промежутки времени, продемонстрировав огромную мощь технологий будущего. Например, квантовый компьютер сможет разложить на множители 2048-значное число за восемь часов, тогда как классическому компьютеру на это потребуется около 300 триллионов лет. Шор также стал пионером в разработке кодов квантовой коррекции ошибок.
