Шаг к квантовому превосходству: 49-кубитный квантовый компьютер от Intel

В октябре прошлого года Intel объявили о релизе 17-кубитного чипа. Но уже спустя три месяца на CES 2018 компания продемонстрировала 49-кубитный квантовый чип Tangle Lake, который, как надеются ученые, станет важным компонентом в достижении квантового превосходства, так как теоретически 49-кубитный квантовый компьютер может превзойти по вычислительной мощности все суперкомпьютеры в мире (на некоторых задачах).

Об особенностях Tangle Lake и ситуации на рынке квантовых машин расскажем далее.

/ фото Jared Tarbell CC

Квантовый компьютер для хранения информации вместо традиционных битов использует кубиты. Их работа основана на принципах суперпозиции и запутанности. Согласно принципу суперпозиции кубиты могут находиться в состоянии 1 и 0 одновременно, а запутанность позволяет квантовым состояниям объектов зависеть друг от друга. Это позволяет квантовым машинам решать некоторые задачи быстрее, чем классические компьютеры (немного о принципах работы квантовых компьютеров мы писали в наших прошлых материалах: этом и этом).

Физики предположили, что квантовый компьютер с 49-кубитами будет обладать большей производительностью, чем мировые суперкомпьютеры. Однако создание чипов такого класса довольно сложная задача. Кубиты — объекты хрупкие и поддерживать суперпозицию они могут всего несколько наносекунд. При этом колебания температуры или сторонняя молекула могут легко нарушить суперпозицию — произойдет декогеренция.

Чтобы решить эту проблему физики создают коды устойчивые к ошибкам, используют низкие температуры и ловушки Пеннинга, разрабатывают новые алгоритмы и пр. Этим занимаются и в компании Intel.

Особенности чипа Intel

Новый чип Intel назван Tangle Lake в честь группы озёр на Аляске. Название служит отсылкой к низким температурам и «запутанности».

Устройство построено на базе предыдущей разработки Intel с 17 сверхпроводящими кубитами. Число 17 было выбрано не случайно: именно столько кубитов нужно, чтобы запустить квантовый код коррекции ошибок, который впервые продемонстрировала команда Google. Tangle Lake стал важным шагом для Intel, потому что 49 кубитов позволили исследователям улучшить код коррекции ошибок.

Кроме того Intel снабдила 49-кубитный чип технологией flip chip, чтобы транслировать сигналы с большей скоростью и меньшим количеством помех при тесном расположении контактов. Архитектура устройства строится с использованием контуров из сверхпроводящего металла, поэтому требует охлаждения до 20 мК. Однако Intel намерена повысить температуру в следующих разработках.

Развитие квантовой экосистемы

Компания Intel активно работает для того, чтобы первой создать рабочую квантовую систему. Майк Мэйберри (Mike Mayberry), глава Intel Labs, считает, что квантовые компьютеры смогут решать прикладные задачи и достигнут коммерческого успеха через 5–7 лет.

Поэтому Intel заключила партнерские отношения с QuTech и другими компаниями, чтобы разрабатывать и тестировать различные аппаратные и программно-аппаратные системы для квантовых вычислений. Потребность в большом количестве кубитов побудила компанию дополнительно направить инвестиции на разработку решений на основе спиновых кубитов.

Спиновые состояния электронов и атомных ядер рассматриваются на роль кандидатов в логические состояния кубитов. Спиновые кубиты меньше по размеру, чем сверхпроводящие, а также в теории должны быть более надежными. Поэтому их можно будет масштабировать быстрее и с меньшим количеством ошибок.

В Intel уже знают, как реализовывать спиновые кубиты в кремнии по 300-мм технологии и считают, что технология поможет ускорить разработку полноценной квантовой системы.

Помимо Intel на кремний обратили внимание и австралийские ученые: им удалось разработать концепцию flip-flop-кубитов («кубитов-перевертышей»). Flip-flop-кубиты представляют собой атомы фосфора, помещенные в кремний. Сам кубит состоит из спина электрона и спина атомного ядра фосфора. За счет электрического поля кубит меняет свое состояние: если вектор спина электрона направлен вниз, а атома — вверх, то это ноль, иначе — единица. Поэтому они называются кубиты-перевертыши. Ученые надеются представить систему из 10 flip-flop-кубитов к 2022 году.

Ситуация на рынке

Над квантовыми компьютерами работают и другие компании. Некоторые, например, D-Wave, уже продают готовые решения (однако отметим, что их решение работает по принципу квантового отжига).

Там же на CES 2018 команда IBM представила прототип 50-кубитного квантового компьютера, о разработке которого говорилось ещё в ноябре 2017, похожего на стимпанк-люстру. Система занимает 10 квадратных метров, а ее процессор нужно охлаждать до 10 мК, что на 10 мК ближе к абсолютному нулю, по сравнению с разработкой от Intel.

/ фото IBM Research CC

Молодая компания Rigetti также стремится к квантовому превосходству: одна из ключевых разработок стартапа — Forest 1.2, которая предоставляет доступ к 26-кубитной виртуальной машине.

Компания ID Quantique предлагает сервисы для защиты данных на основе квантового шифрования, а Qubitekk работает над созданием универсального квантового компьютера — компьютера, который можно будет запрограммировать произвольным образом для решения широкого спектра задач

---