Квантовые компьютеры оказались более полезными, чем ожидалось, в 2025 году

Весь последний год я продолжал рассказывать своему редактору одну и ту же историю: квантовые компьютеры вот-вот станут полезными для научных открытий.

Конечно, это всегда было целью. Идея использования квантовых компьютеров для лучшего понимания нашей Вселенной является частью истории их происхождения, и она даже фигурирует в 1981 год речь Ричарда Фейнмана. Размышляя о том, как лучше всего моделировать природу, он писал: «Мы можем отказаться от нашего правила о том, чем был компьютер, мы можем сказать: пусть сам компьютер будет построен из квантово-механических элементов, подчиняющихся законам квантовой механики».

Сегодня видение Фейнмана реализовано Google, ИБМ и еще десятки компаний и академических коллективов. Их устройства теперь используются для моделирования реальности на квантовом уровне – и вот некоторые основные моменты.

Для меня квантовые разработки в этом году начались с двух исследований, которые легли на мой стол в июне и посвящены физика частиц высоких энергий. Две отдельные исследовательские группы использовали два совершенно разных квантовых компьютера для моделирования поведения пар частиц в квантовых полях. В одном использовался чип Sycamore от Google, сделанный из крошечных сверхпроводящих схем, управляемых микроволнами, а в другом — чип, произведенный компанией квантовых вычислений QuEra и основанный на чрезвычайно холодных атомах, управляемых лазерами и электромагнитными силами.

Квантовые поля кодируют то, как сила, например электромагнитная, будет действовать на частицу в любой точке Вселенной. У них также есть локальная структура, которая определяет поведение, которое вы должны увидеть, если увеличить масштаб любой частицы. Такие поля сложно смоделировать в случае динамики частиц – когда частица что-то делает во времени, и вы хотите снять об этом что-то вроде фильма. Для двух очень упрощенных версий квантовых полей, которые появляются в стандартной модели физики элементарных частиц, два квантовых компьютера решили именно эту задачу.

Джад Халиме из Мюнхенского университета, который работает в этой области, но не участвовал ни в одном эксперименте, даже рассказал мне, что более мощная версия этих экспериментов, моделирующая более сложные поля на более крупных квантовых компьютерах, может в конечном итоге помочь нам понять, что делают частицы внутри коллайдеров частиц.

Три месяца спустя я разговаривал по телефону с двумя другими группами исследователей, снова обсуждая те же самые два типа квантовых компьютеров, которые теперь были созданы. на службе физики конденсированного состояния. Физика конденсированного состояния дорога моему сердцу, потому что я изучал ее в аспирантуре, но ее влияние выходит далеко за пределы склонностей этого обозревателя. Это особенно важно для развития полупроводниковых технологий, лежащих в основе повседневных устройств, таких как смартфоны.

В сентябре исследователи из Гарвардского университета и Мюнхенского технического университета в Германии использовали квантовые компьютеры для моделирования двух экзотических фаз материи, которые были предсказаны в теории, но ускользнули от более традиционных экспериментов. Квантовые компьютеры доказали свою способность предсказывать свойства этих странных материалов, чего до сих пор не удалось достичь с помощью выращивания и исследования кристаллов в лаборатории.

Октябрь принес перспективу практического использования новый сверхпроводящий квантовый компьютер от Googleпо имени Уиллоу. Исследователи фирмы и их коллеги использовали Уиллоу для запуска алгоритма, который можно использовать для интерпретации данных спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), который является широко используемым методом изучения молекул в биохимических исследованиях.

Хотя демонстрация команды на реальных данных ЯМР не дала ничего такого, чего не смог бы сделать традиционный компьютер, математика алгоритма обещает однажды превзойти возможности классических машин, что позволит исследователям узнать беспрецедентные подробности о молекулах. Насколько быстро это оправдается, зависит от темпов совершенствования аппаратного обеспечения квантовых вычислений.

Месяц спустя в разговор вступил третий вид квантового компьютера. Компания Quantinuum показала, что их Квантовый компьютер Гелиос-1 Изготовленные из захваченных ионов, можно моделировать математическую модель идеальной электропроводности или сверхпроводимости. Поскольку сверхпроводники проводят электричество без каких-либо потерь, они могут открыть двери для чрезвычайно эффективной электроники или даже сделать электрическую сеть более устойчивой. Однако все известные сверхпроводники работают только при высоком давлении или крайне низкой температуре, что делает их непрактичными. Математическая модель, которая точно показывает, почему сверхпроводимость некоторых материалов может стать важным шагом на пути к созданию полезных сверхпроводников.

Гелиос-1 смоделировал то, что Хенрик Драйерисследователь из Quantinuum, сказал мне, что это, возможно, самая важная подобная модель; тот, который привлекал внимание физиков с 1960-х годов. И хотя эта конкретная симуляция не предложила какого-либо радикально нового взгляда на сверхпроводимость, она объявила квантовые компьютеры ценными игроками в долгосрочном стремлении физиков лучше понять их.

Всего через неделю я разговаривал по телефону с Сабрина Манискалько от фирмы квантовых алгоритмов Algorithmiq, обсуждающей метаматериалы. Это материалы, микроскопические детали которых можно сконструировать так, чтобы они приобрели особые свойства, которыми не обладают природные материалы. Они также могут быть изготовлены специально для определенных целей: от элементарных плащей-невидимок до химических ингредиентов, которые могут ускорять реакции.

Метаматериалы — это тоже то, чем я баловался, будучи аспирантом, и команда Манискалько разработала как смоделировать один с использованием квантового компьютера IBM, сделанного из сверхпроводящих схем. В частности, они могли бы отслеживать, как метаматериал шифрует информацию, в том числе в режимах, с которыми более традиционный компьютер может столкнуться с трудностями. Хотя это может показаться довольно абстрактной идеей, Манискалько сказал мне, что это может способствовать развитию исследований в области химических катализаторов, а также твердотельных батарей и некоторых устройств, преобразующих свет в электричество.

Как будто физики элементарных частиц, новых фаз материи, молекулярных исследований, сверхпроводников и метаматериалов было недостаточно, пока я писал эту колонку, я получил подсказку о исследование где группа исследователей из Университета Мэриленда в США и Университета Ватерлоо в Канаде использовала квантовый компьютер с захваченными ионами, чтобы определить, как частицы связываются сильная ядерная сила ведут себя при различных температурах и плотностях. Считается, что часть такого поведения происходит внутри нейтронных звезд, которые являются плохо изученными космическими объектамиа также произошло в ранней Вселенной.

Хотя квантовые расчеты команды включали приближения, которые не совсем соответствуют наиболее реалистичным моделям сильного взаимодействия, исследование дает основания для еще одной области физики, где квантовые компьютеры перспективны в качестве машин для открытий.

Конечно, это обилие примеров сопровождается и обилие предостережений и вопросительных знаков. Большинство математических моделей, смоделированных на квантовом оборудовании, требуют некоторого количества упрощений и аппроксимаций по сравнению с наиболее реалистичными моделями. Большинство квантовых компьютеров по-прежнему настолько подвержены ошибкам, что требуют постобработки результатов своих вычислений для смягчения или удаления этих ошибок, а вопрос сравнения результатов квантовых компьютеров с тем, что могут сделать лучшие обычные компьютеры, остается непростым.

Проще говоря, традиционные методы вычислений и моделирования — это еще одна область, в которой прогресс был быстрым и обнадеживающим, заставляя исследователей классических и квантовых компьютеров находиться в динамичном движении взад и вперед, где вчерашние самые сложные или самые быстрые вычисления неизбежно становятся второстепенными завтра. В прошлом месяце IBM даже заключила партнерские отношения с несколькими другими компаниями, чтобы запустить общедоступнуютрекер квантового преимущества», который в конечном итоге станет таблицей лидеров, показывающей, опережают ли квантовые компьютеры своих традиционных аналогов или нет.

Но даже если квантовые компьютеры не займут первое место в этом списке в ближайшее время, прошедший год все равно сместил мои предварительные ожидания в сторону волнения и ожидания. Это потому, что эти эксперименты эффективно превращают квантовые компьютеры из предмета научных исследований в инструменты для занятий наукой, что было невозможно всего несколько лет назад.

В начале этого года я ожидал, что буду писать в основном об экспериментах по сравнительному анализу, в которых квантовые компьютеры запускают протоколы, которые демонстрируют свою квантовость, а не решают какие-либо полезные проблемы. Такие вычисления часто служат для того, чтобы подчеркнуть, насколько квантовые компьютеры отличаются от обычных компьютеров, и могут подчеркнуть их потенциал делать радикально новые вещи. Но путь оттуда к полезному расчету для работающего физика казался долгим и совсем не очевидным. Теперь, хотя и с осторожностью, я думаю, что дорога может оказаться короче, чем я ожидал. Я уверен, что в 2026 году меня ждут еще больше квантовых сюрпризов.

Темы: