Нобелевский лауреат заявил, что построит самый мощный в мире квантовый компьютер

Джон Мартинис занимается аппаратным обеспечением. Он предпочитает грубые занятия физикой в лаборатории идеализированному миру учебников. Но без него невозможно было бы написать книги по истории квантовых вычислений: он сыграл центральную роль в двух наиболее важных моментах в этой области. И он усердно работает в погоне за следующим.

Все началось в 1980-х годах, когда Мартинис и его коллеги провели серию экспериментов, чтобы исследовать границы того, что было известно о квантовых эффектах. получил Нобелевскую премию в прошлом году. Когда он был аспирантом Калифорнийского университета в Беркли, мы знали, что субатомные частицы подвержены квантовым эффектам, но вопрос заключался в том, сможет ли мир квантовой механики распространяться на более крупные масштабы.

Мартинис и его коллеги построили и изучили схемы, сделанные из смеси сверхпроводников и изоляторов, где, как выяснилось, многие заряженные частицы внутри схемы вели себя так, как если бы они были одной квантовой частицей. Это была макроскопическая квантовость, и она заложила основу для создания некоторых из самых мощных на сегодняшний день квантовых компьютеров, в том числе тех, которые в настоящее время поддерживают IBM и Google. Фактически, работа Мартиниса положила начало тенденции технологических гигантов использовать квантовые биты или кубиты, сделанные из сверхпроводящие схемы – наиболее широко используемые кубиты сегодня в мире.

Во второй раз, когда Мартинис всколыхнул эту область, он возглавлял команду исследователей Google, создавших квантовый компьютер, который впервые добился «квантового превосходства». В течение почти пяти лет это был единственный компьютер в мире, квантовый или другой, который мог проверять выходные данные случайной квантовой схемы. Это было позже превзойден классическими компьютерами.

Сейчас, на пороге своего 70-летия, Мартинис думает, что сможет одержать еще одну историческую победу с помощью сверхпроводящих кубитов. В 2024 году он стал соучредителем QoLab, компании, занимающейся квантовыми компьютерами, которая, по его словам, применит радикально новый подход к попытке создать то, за чем гонялись все в этой области: по-настоящему практичные квантовые компьютеры.

Кармела Падавик-Каллаган: В начале своей карьеры вы произвели фурор, выполняя действительно фундаментальную работу. Когда вы начали понимать, что ваш эксперимент может привести к созданию новой технологии?

Джон Мартинис: Возник вопрос о том, может ли макроскопическая переменная уклониться от квантовой механики, и я, будучи молодым и только изучающим квантовую механику, создал впечатление, что это то, что нам нужно проверить. Возможно, если бы вы были старше, вы просто предполагали, что квантовая механика работает. Но когда я был молодым студентом, это казалось фантастическим экспериментом по фундаментальной проверке квантовой механики.

Первое, что мы сделали, — это провели очень грубый и быстрый эксперимент, используя современные технологии. Когда мы собрали данные, эксперимент оказался полным провалом. Но мы смогли быстро потерпеть неудачу, так что это не имело значения. В конце концов, это был эксперимент, в котором нужно было разобраться в микроволновой технике. Нужно было понимать шум, нам нужно было сделать много технических вещей, но [success] после этого произошло довольно быстро.

Первые 10 лет после этого мы проводили этот эксперимент и создавали квантовые устройства. Потом теория квантовых вычислений сильно продвинулась, я бы сказал особенно алгоритм Шора. [which factors large numbers for breaking cryptography]затем исправление ошибок [algorithms] вскоре после этого. Это обеспечило прочную основу для этой области. Теперь люди могли представить, что что-то строят. Благодаря этому появилось финансирование.

Как финансирование изменило исследования и, в конечном итоге, технологии?

Ситуация действительно изменилась с 1980-х годов. В то время люди даже не проверяли, можно ли правильно манипулировать и измерять одну квантовую систему. Интересно, куда пошли дела за последние 40 лет. Квантовые вычисления превратились в огромную область! Больше всего во всем этом можно гордиться тем, что сейчас так много физиков работают над пониманием квантовой механики этих сверхпроводящих систем и созданием квантовых компьютеров.

Вы приложили руку к зарождению квантовых вычислений. Как это поможет вам понять, куда движется эта сфера сейчас?

Постоянно работая в этой области, я понимаю основы физики. Я построил первую микроволновую электронику для [quantum devices] в нашей группе в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, а затем в Google я построил собственные криостаты [devices that keep superconducting quantum computers chilled to the extremely cold temperatures they need to operate]. Я участвовал в изготовлении каждого элемента. Я думаю, что многие люди, если они не прошли через все это, просто будут с оптимизмом смотреть на то, что мы продолжим двигаться вперед. Я знаю, где все проблемы. Если вы хотите построить очень сложную вычислительную систему, то это всего лишь системная инженерия, и я думаю, что у меня есть преимущество в том, что я довольно хорошо понимаю основы физики всего.

Как, по вашему мнению, должно измениться аппаратное обеспечение квантовых вычислений, чтобы квантовые компьютеры стали полезными и практичными? На какие изменения вы делаете ставку как на начало следующего прорыва?

Покинув Google, я задумался о квантовом компьютере как о целостной системе и переосмыслил все основы того, что нам на самом деле нужно создавать и улучшать. QoLab основан на этом, с довольно существенными изменениями в том, как мы создаем кубиты. [in terms of manufacturing techniques] и как все это собрать, особенно проводку.

Мы поняли, что нужно думать о создании квантовых компьютеров совершенно по-другому, чтобы сделать технологию надежной и снизить стоимость. Это сложно, и людям трудно это понять. Мы столкнулись с удивительным количеством противодействия и скептицизма, но, исходя из моего многолетнего опыта работы в физике, это означает, что у нас есть хорошая идея.

Иногда мы слышим, что для создания безошибочного квантового компьютера, который действительно будет полезен, ему понадобятся очень большое количество кубитов, исчисляемые миллионами. Как вы туда доберетесь?

Что касается того, где мы хотим совершить самый большой прорыв, то это производство и, в частности, производство квантовых чипов, что также является самой сложной частью. Если вы посмотрите на то, что делают все – Google, IBM, Amazon и многие другие компании – они используют технологии производства, я не знаю, примерно из 1950-х или 60-х годов. Я не знаю [any other industry that] в наши дни строит настоящие схемы с помощью этих методов. Итак, мы считаем, что если вы хотите создать миллион кубитов и сделать их надежными, вам нужно заняться чем-то другим.

Мы очень рады тому, как мы можем фундаментально изменить способ создания этих устройств. И у нас есть архитектура чипов, которая поможет избавиться от всех проводов. Если вы посмотрите на картинку [superconducting] квантовые компьютеры — это просто джунгли проводов и микроволновых компонентов. Я хочу поместить все это в чип и иметь возможность масштабировать его. В сверхпроводящих кубитах большой проблемой является проблема проводки, и мы работаем над ее решением.

Как вы думаете, появится ли явный победитель в гонке за практический квантовый компьютер, скажем, через пять лет?

Есть много разных способов, которыми люди пытаются построить квантовый компьютер, и, учитывая, что ограничения системной инженерии очень сложны, я думаю, что к этой проблеме стоит подойти разными способами. Я думаю, это хорошо, что финансируется много разных идей, потому что тогда у людей больше шансов совершить прорыв. Но когда я думаю об этих ограничениях, а их много, я бы вообще сказал, что многие проекты немного, я просто скажу, наивны в отношении того, что действительно нужно для их удовлетворения, например, управление затратами или производство устройств в больших масштабах. С другой стороны, я уверен, что у многих исследовательских групп есть идеи по решению некоторых проблем проектирования, о которых они не говорят публично.

И бизнес-план QoLab, я думаю, немного отличается, может быть, даже уникален, поскольку мы поддерживаем сотрудничество, потому что чувствуем, что нам нужны все экспертные знания. Мы работаем с компаниями-производителями оборудования, которые знают, как масштабировать и осуществлять сложное производство.

Если бы завтра кто-то подарил вам очень большой и безошибочный квантовый компьютер, что бы вы попробовали в первую очередь?

Меня действительно интересует использование квантового компьютера для решения задач квантовой химии и квантовых материалов. Есть несколько недавних статей об использовании его, чтобы помочь [extract more useful information from] эксперименты по ядерному магнитному резонансу (ЯМР) в химии, и мне это очень нравится в качестве первоначального применения. Эту квантовую задачу трудно решить на классическом суперкомпьютере из-за основных трудностей квантовой механики. Но эта задача, конечно, фундаментально решается с помощью квантового компьютера — вы просто отображаете квантовую проблему в квантовом компьютере. Меня это может воодушевить, отчасти потому, что мне нравится иметь четкие идеи о том, как создавать [a device] и люди разработали определенные алгоритмы, чтобы сделать [applications like enhancing NMR].

Многие люди, возможно, задумались бы о том, чтобы заняться, скажем, проблемами оптимизации и квантовым искусственным интеллектом. Для меня это скорее «попробуй и посмотри, сработает ли это». Теория, лежащая в основе применения материалов и химии, гораздо более определенна. Мы знаем, насколько велика [quantum computer] должно быть. Я думаю, что мы можем построить эту машину, как с точки зрения размера, так и с точки зрения скорости выполнения.

Некоторые из потенциальных применений квантовых компьютеров были математически определены более 30 лет назад. Почему они еще не стали реальностью?

Вы можете абстрагироваться от поведения кубита и представить, как построить квантовый компьютер, и это здорово, потому что тогда над этим будут думать ученые-компьютерщики, математики и теоретики. Но настоящая проблема здесь в том, что у реальных кубитов есть источники шума. [such as heat from external wires, or impurities in the qubit’s own material]и проблемы, которые являются физическими вещами. Многие крупные разработки в области квантовых вычислений проводятся теоретиками, и это нормально, но реальная система намного сложнее, как и то, что вам нужно сделать, чтобы создать аппаратное обеспечение, которое сможет работать должным образом.

В [my graduate advisor] В группе Джона Кларка меня научили понимать шум. Такой опыт был действительно полезен для меня и людей, с которыми я работал, потому что мы думали о кубитах очень физически, пытаясь избавиться от механизмов физического шума, которые делают чипы ненадежными. Именно это произошло с экспериментом по квантовому превосходству; [some of the noise comes from the fact that] у вас есть эти «двухуровневые состояния», которые есть в вашем устройстве, и вы как бы управляете им, чтобы избежать их. Вы можете заставить его работать, но это настоящая головная боль, и его просто трудно масштабировать. Я надеюсь, что мы 1770219360 избавиться от этого эффекта или уменьшить его. Чтобы понять это, вам придется вникнуть в детали конструкции кубита.

Проблема в том, что вам нужно иметь как оборудование, так и идеи для приложений, и я думаю, что нам нужно сделать оборудование намного лучше во всех областях. Итак, это то, на чем я концентрируюсь.

Темы: