Квантовые технологии стремительно покидают стены лабораторий и внедряются в реальную жизнь. В новой статье утверждается, что эта область сегодня находится на переломном этапе, который напоминает ранние дни развития вычислительной техники, предшествовавшие появлению транзистора и современных компьютеров.
Авторы статьи — учёные из Чикагского университета, Стэнфордского университета, Массачусетского технологического института, Университета Инсбрука в Австрии и Делфтского технологического университета в Нидерландах — дают оценку быстро развивающейся области квантовой информационной техники. Они описывают основные проблемы и возможности, которые формируют масштабируемые квантовые компьютеры, сети и датчики.
Статья опубликована в журнале Science.
«Этот преобразующий момент в квантовых технологиях напоминает самые ранние дни транзистора», — сказал ведущий автор Дэвид Ошцолом, профессор молекулярной инженерии и физики в Чикагском университете, директор Чикагского квантового обмена и Чикагского квантового института.
«Основные физические концепции установлены, функциональные системы существуют, и теперь мы должны развивать партнёрства и координированные усилия, необходимые для достижения полного, практически реализуемого потенциала технологии. Как мы решим задачи масштабирования и модульных квантовых архитектур?»
За последнее десятилетие квантовые технологии перешли от фундаментальных лабораторных демонстраций к системам, способным обеспечить раннее применение в реальном мире в таких областях, как связь, сенсинг и вычисления. Авторы отмечают, что этому быстрому созреванию способствовало сотрудничество трёх секторов, которое способствовало росту микроэлектроники: прочные связи между научными кругами, правительством и промышленностью.
В статье рассматривается текущее состояние шести ведущих платформ квантового оборудования, включая сверхпроводящие кубиты, захваченные ионы, спиновые дефекты, полупроводниковые квантовые точки, нейтральные атомы и оптические фотонные кубиты.
Для сравнения прогресса между этими платформами в приложениях для вычислений, моделирования, создания сетей и сенсинга авторы использовали большие языковые модели искусственного интеллекта, такие как ChatGPT и Gemini, чтобы оценить относительный уровень технологической готовности (TRL) каждой из них. TRL оценивают зрелость технологии по шкале от 1 (основные принципы наблюдаются в лабораторной среде) до 9 (доказана в эксплуатационной среде), хотя более высокий TRL может относиться и к технологии на ранней стадии, которая продемонстрировала более высокий уровень сложности системы.
Результаты дают сравнительный снимок прогресса в этой области. Хотя передовые прототипы продемонстрировали работу системы и доступ к публичному облаку, их производительность пока находится на ранней стадии разработки. Например, для многих значимых приложений, включая крупномасштабные квантовые химические расчёты, могут потребоваться миллионы физических кубитов с характеристиками, значительно превосходящими современные технологические возможности.
«Контекст имеет существенное значение при оценке технологической готовности», — сказал соавтор Уильям Д. Оливер, профессор электротехники и информатики Генри Эллиса Уоррена (1894), профессор физики и директор Центра квантовой инженерии в Массачусетском технологическом институте.
«В то время как полупроводниковые чипы в 1970-х годах были TLR-9 для того времени, они могли делать очень мало по сравнению с современными передовыми интегральными схемами. Аналогично, высокий TRL для квантовых технологий сегодня не означает, что конечная цель достигнута, или что наука завершена и остаётся только инженерия. Скорее, это отражает значительное, но относительно скромное, демонстрацию уровня системы, которая всё ещё должна быть существенно улучшена и масштабирована, чтобы реализовать весь потенциал».
Наивысшие баллы TRL получили сверхпроводящие кубиты для квантовых вычислений, нейтральные атомы для квантового моделирования, фотонные кубиты для квантовых сетей и спиновые дефекты для квантового сенсинга.
Авторы определяют несколько общих проблем, которые необходимо решить для эффективного масштабирования квантовых систем. Требуются значительные достижения в области материаловедения и производства, чтобы обеспечить последовательное, высококачественное массовое производство устройств, которые могут быть изготовлены с помощью надёжных и экономически эффективных литейных процессов.
Соединение и доставка сигнала остаются центральным инженерным узким местом. Большинство квантовых платформ по-прежнему требуют индивидуальных каналов управления для большинства кубитов, и простое увеличение количества проводов не является устойчивым по мере того, как эти системы пытаются масштабироваться до миллионов кубитов. (Похожие проблемы в 1960-х годах стояли перед инженерами-компьютерщиками, известными как «тирания чисел»). Подача питания, управление температурой, автоматическая калибровка и системное управление — всё это создаёт связанные проблемы, которые потребуют постоянных достижений по мере усложнения систем.
Статья связывает эти инженерные потребности с уроками из истории вычислительной техники. Многие из наиболее преобразующих разработок в классической электронике — от внедрения литографии до новых материалов для транзисторов — заняли годы или десятилетия, чтобы перейти от лабораторных исследований к промышленному внедрению. Авторы утверждают, что прогресс в квантовых технологиях будет следовать аналогичной траектории. Они подчёркивают важность стратегий проектирования на уровне системы сверху вниз, общего объёма открытых научных знаний, которые позволяют избежать преждевременного разделения по отдельным направлениям, и терпения.
«Терпение было ключевым элементом во многих знаковых разработках, — пишут они, — и указывает на важность сдерживания ожиданий относительно сроков в квантовых технологиях».