10 декабря я выступил с основным докладом на конференции Q2B 2025 в Силиконовой долине. Ниже приведён текст моего выступления.
Первый век
Мы приближаемся к концу Международного года квантовой науки и технологий, который был объявлен в честь 100-летия открытия квантовой механики в 1925 году. Говорят, что 23-летний Вернер Гейзенберг, спасаясь от сильной сенной лихорадки, отправился на отдалённый остров в Северном море — Гельголанд, где пришло озарение, которое привело к его первой, ставшей печально известной, статье, описывающей основы квантовой механики.
В последующие годы эти основы были уточнены и расширены Гейзенбергом и другими учёными. Среди них особенно выделялся Поль Дирак, который подчеркнул, что у нас есть теория почти всего, что имеет значение в повседневной жизни. Это уравнение Шрёдингера, которое описывает квантовое поведение многих электронов, взаимодействующих электромагнитно друг с другом и с атомными ядрами. Оно описывает всё в химии и материаловедении и всё, что построено на этих основах. Но, как сетовал Дирак, в общем случае уравнение слишком сложно для решения более чем для нескольких электронов.
Прошло около 50 лет, прежде чем Ричард Фейнман предложил, что если мы хотим машину для решения квантовых задач, это должна быть квантовая машина, а не классическая. Поиски такой машины, как он заметил, — «это замечательная задача, потому что она выглядит не так просто», — утверждение, которое до сих пор актуально.
Я увлёкся этими поисками около 30 лет назад. Это было захватывающее время. Были открыты эффективные квантовые алгоритмы для задач факторизации и дискретного логарифма, за которыми быстро последовали первые квантовые коды коррекции ошибок и основы отказоустойчивых квантовых вычислений. К концу 1996 года было твёрдо установлено, что шумный квантовый компьютер может эффективно моделировать идеальный квантовый компьютер, если шум не слишком сильный или сильно коррелированный. Многие из нас были убеждены, что мощные отказоустойчивые квантовые компьютеры в конечном итоге можно будет построить и использовать.
Три десятилетия спустя, когда мы вступаем во второй век квантовой механики, как далеко мы продвинулись? Сегодняшние квантовые устройства могут выполнять некоторые задачи, недоступные для самых мощных существующих обычных суперкомпьютеров. Коррекция ошибок десятилетиями была предметом игр теоретиков; теперь информативные демонстрации достижимы на квантовых платформах. И мир вкладывает значительные средства в дальнейшее развитие технологий.
Текущие достижения
Современные машины NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) могут выполнять квантовые вычисления с тысячами двухкубитных вентилей, что позволяет проводить ранние исследования высокозапутанных квантовых состояний материи, но всё ещё с ограниченной коммерческой ценностью. Чтобы разблокировать широкий спектр научных и коммерческих приложений, нам нужны машины, способные выполнять миллиарды или триллионы двухкубитных вентилей. Квантовая коррекция ошибок — это путь к достижению этой цели.
Я остановлюсь на некоторых заметных достижениях за последний год — среди многих других, которые у меня не будет времени обсудить.
1. Мы наблюдаем интригующие квантовые симуляции квантовой динамики в режимах, которые, возможно, недоступны для классических симуляций.
2. Атомные процессоры, как ионные ловушки, так и нейтральные атомы в оптических пинцетах, впечатляюще развиваются.
3. Мы глубже осознаём преимущества нелокальной связности в отказоустойчивых протоколах.
4. Оценки ресурсов для криптоаналитически значимых квантовых алгоритмов резко снизились.
Квантовые машины для науки
Несколько лет назад я не был особенно воодушевлён запуском приложений на квантовых платформах, которые были доступны тогда; теперь я более заинтересован. У нас есть сверхпроводящие устройства от IBM и Google с более чем 100 кубитами и двухкубитной частотой ошибок, приближающейся к 10^{-3}. Устройство ионной ловушки Quantinuum имеет ещё более высокую точность, а также более высокую связность. Процессоры с нейтральными атомами имеют много кубитов; сейчас они отстают по точности, но улучшаются.
Пользователи сталкиваются с компромиссами: высокая связность и точность ионных ловушек являются преимуществом, но их тактовые частоты на порядки медленнее, чем у сверхпроводящих процессоров. Это ограничивает количество раз, которое можно запустить заданную схему, и, следовательно, достижимую статистическую точность при оценке ожиданий наблюдаемых величин.
Проверяемое квантовое преимущество
Большое внимание уделяется выборке из выходных данных случайных квантовых схем, потому что эта задача доказуемо сложна классически при разумных предположениях. Проблема в том, что в режиме высокой сложности, где квантовый компьютер может далеко опередить классические компьютеры, точность квантовых вычислений не может быть проверена эффективно. Поэтому внимание сейчас смещается в сторону проверяемого квантового преимущества — задач, где ответ можно проверить.
Если мы решим задачу факторизации или дискретного логарифма, мы сможем легко проверить вывод квантового компьютера с помощью классических вычислений, но мы пока не можем запустить эти квантовые алгоритмы в классически сложном режиме. Мы можем довольствоваться квантовой верификацией, то есть проверкой результата путём сравнения двух квантовых вычислений и проверки согласованности результатов.
Квантовые вычисления и будущее науки
В течение следующих 5 лет мы ожидаем драматического прогресса в направлении масштабируемых отказоустойчивых квантовых вычислений, и научные открытия, сделанные с помощью программируемых квантовых устройств, будут появляться ускоренными темпами. Что может ждать нас в будущем? Я был заинтригован письмом Джона фон Неймана 1945 года о потенциальных приложениях быстрых электронных компьютеров. После описания некоторых возможных применений фон Нейман добавил: «Использование, которое сейчас не предсказуемо или не предсказуемо легко, вероятно, будет самым важным… они будут… составлять наиболее удивительное расширение нашей нынешней сферы деятельности». Даже такой гений, как фон Нейман, не мог предвидеть цифровую революцию, которая ждала впереди. Предсказание будущего курса квантовых технологий ещё более безнадёжно, потому что квантовая обработка информации предполагает ещё больший шаг за пределы прошлого опыта.
Когда мы размышляем о долгосрочной траектории развития квантовой науки и техники, мы ограничены нашим ограниченным воображением. Но один способ примерно охарактеризовать разницу между прошлым и будущим квантовой науки таков: за первые сто лет существования квантовой механики мы добились больших успехов в понимании поведения слабо коррелированных систем многих частиц, что привело, например, к революционным технологиям в области полупроводников и лазеров. Великая задача и возможность, с которыми мы сталкиваемся во втором квантовом веке, — это приобретение сопоставимого понимания сложного поведения высокозапутанных состояний многих частиц, поведения, выходящего далеко за рамки современной теории или вычислений. Чудеса, с которыми мы столкнёмся во втором веке квантовой механики, и их влияние на человеческую цивилизацию могут намного превзойти чудеса первого века. Поэтому мы должны с благодарностью признать квантовых пионеров прошлого века и пожелать удачи квантовым исследователям будущего.