КОТ ШРЁДИНГЕРА - ЭТО РЕАЛЬНОСТЬ, А НЕ РОМАШКА В ЖOПE

(Обзор самых быстрых компьютеров)

Есть старая шутка в физическом сообществе: квантовая механика - это теория, которую никто не понимает, но все умеют применять. Ричард Фейнман, один из её создателей, говорил примерно так же. И тем не менее именно квантовая механика описывает реальность точнее любой другой теории, которую когда-либо придумало человечество.

Парадокс в том, что эта теория работает безупречно на уровне атомов и элементарных частиц - и начинает «ломаться» при переходе к предметам, которые можно потрогать руками. Кот Шрёдингера - знаменитый мысленный эксперимент 1935 года - как раз об этом: квантовая механика формально разрешает кошке быть одновременно живой и мёртвой, пока никто не смотрит. Абсурд? Да. Но именно этот абсурд сегодня превращается в инженерный продукт.

За последние два года сразу несколько команд сделали то, что физики долго считали либо невозможным, либо крайне далёким: они научились удерживать квантовую суперпозицию в системах из тысяч частиц - достаточно долго и достаточно стабильно, чтобы на этом можно было строить вычисления. Это и есть главная тема этого очерка.

ЧТО ТАКОЕ СУПЕРПОЗИЦИЯ И ПОЧЕМУ ОНА ТАКАЯ КАПРИЗНАЯ

Начнём с азов, потому что без них дальше будет непонятно. Обычный компьютерный бит - это либо 0, либо 1. Всегда. Транзистор открыт или закрыт, напряжение есть или нет. Квантовый бит - кубит - устроен иначе. Он может находиться в состоянии суперпозиции: одновременно 0 и 1 в некотором соотношении. Это не метафора и не округление. Это буквально так.

Почему это важно для вычислений? Потому что кубит в суперпозиции - это как монета, которая летит в воздухе и ещё не упала. Пока она летит, она «одновременно орёл и решка». Квантовый компьютер может делать вычисления над этой летящей монетой - то есть обрабатывать экспоненциально большее количество возможных состояний параллельно. Десять кубитов в суперпозиции - это одновременно 1024 состояния. Пятьсот кубитов - это число, которое больше количества атомов в наблюдаемой вселенной.

Проблема в том, что суперпозиция чудовищно хрупкая. Любое взаимодействие с окружающей средой - тепловой шум, вибрация, электромагнитные помехи, даже случайный фотон - мгновенно её разрушает. Физики называют этот процесс декогеренцией. Кубит «измеряется» средой, суперпозиция коллапсирует, и вы получаете обычный бит - 0 или 1. Всё вычисление испорчено.

Именно поэтому первые квантовые компьютеры работают при температурах, близких к абсолютному нулю - около 0,015 кельвина, что холоднее открытого космоса примерно в двадцать раз. И именно поэтому кубиты так долго не могли удерживать суперпозицию достаточно долго для чего-то полезного. Всё это начало меняться.

ДЕКАБРЬ 2024: GOOGLE УДЕРЖИВАЕТ ПОРОГ

В декабре 2024 года Google опубликовал в Nature статью о своём новом процессоре Willow. Результаты произвели впечатление даже на скептиков.

Чип содержит 105 кубитов и выполнил стандартный тест - случайную выборку схем - менее чем за пять минут. Лучшему классическому суперкомпьютеру на тот же расчёт потребовалось бы 10?? лет. Это не опечатка. Десять в двадцать пятой степени. Для сравнения: возраст вселенной - около 14 миллиардов лет, то есть примерно 10??.

Но впечатляющие цифры вычислений - это был уже второй по важности результат. Главным стало другое.

Работа «ниже порога» исправления ошибок была целью квантовых вычислений с 1990-х годов. Почти тридцать лет физики улучшали материалы, калибровку и архитектуру - и квантовые компьютеры всё равно не могли пройти этот рубеж. С Willow это наконец произошло.

Что это означает? В квантовых вычислениях есть фундаментальная проблема: кубиты ошибаются. Постоянно. Для исправления ошибок нужны дополнительные «физические» кубиты, которые следят за «логическими». Загвоздка была в том, что чем больше физических кубитов добавляли, тем больше ошибок они сами и производили. Порочный круг.

Willow впервые продемонстрировал, что добавление кубитов подавляет ошибки экспоненциально, а не увеличивает их. Логический кубит, построенный из группы физических кубитов, живёт в 2,4 раза дольше лучшего физического кубита в системе.

Время когерентности кубитов на Willow выросло в пять раз по сравнению с предыдущим поколением - с 20 до 100 микросекунд. Сто микросекунд - это не вечность. Но это уже достаточно, чтобы выполнить полезные вычисления с исправлением ошибок на ходу.

Руководитель Google Quantum AI Хартмут Невен позволил себе философское отступление: он предположил, что такая вычислительная мощность, возможно, свидетельствует о том, что квантовые вычисления происходят в параллельных вселенных. Это, конечно, интерпретация - не факт. Но характерно, что подобные мысли уже звучат в серьёзных научных контекстах, а не только в научной фантастике.

ФЕВРАЛЬ 2025: MICROSOFT ДЕЛАЕТ СТАВКУ НА ТОПОЛОГИЮ

Пока Google совершенствовал сверхпроводящие кубиты, Microsoft двадцать лет шёл принципиально другим путём. В феврале 2025 года компания представила процессор Majorana 1.

Идея топологических кубитов восходит к работе российско-американского физика Алексея Китаева 1997 года. Вместо того чтобы хранить квантовую информацию в изолированных частицах, которые легко теряют когерентность, предлагалось использовать топологические свойства - характеристики, зависящие только от геометрической структуры системы, а не от малых возмущений.

Аналогия, которую любят приводить физики: верёвка с узлом. Можно тянуть, сгибать, трясти - узел останется узлом. Топологически защищённая информация так же устойчива к малым возмущениям. Декогеренция, которая мгновенно убивает обычный кубит, просто не добирается до информации, «вплетённой» в топологию материала.

Процессор Majorana 1 построен на первом в мире топокондукторе - новом классе материалов, реализующем топологическую сверхпроводимость, состояние вещества, которое прежде существовало только в теории. Это стало возможным благодаря разработке структур из арсенида индия и алюминия, сконструированных буквально атом за атомом.

На конце таких нанопроволок возникают особые квазичастицы - майорановские нулевые моды. Именно в них кодируется квантовая информация. Поскольку информация распределена по физической системе, а не сосредоточена в одной точке, майорановский кубит значительно менее уязвим к ошибкам.

Пока Majorana 1 содержит всего восемь кубитов - это доказательство концепции, а не рабочий компьютер. Независимые эксперты оценивают результаты осторожно: доказательства пока «частичные» и требуют дополнительного подтверждения. Но если топологический подход заработает в масштабе, это будет качественный скачок: кубиты, которые сами себя защищают от ошибок на уровне физики, а не только программного исправления.

Глава Microsoft Сатья Наделла заявил, что квантовые компьютеры теперь - дело «лет, а не десятилетий». Компания нацелена на миллион кубитов.

СЕНТЯБРЬ 2025: КАЛТЕХ УДЕРЖИВАЕТ 6100 АТОМОВ В СУПЕРПОЗИЦИИ 13 СЕКУНД

Самый неожиданный рекорд года поставили исследователи Калтеха во главе с профессором Мануэлем Эндресом. Команда разделила лазерный луч на 12 000 частей, образовав 12 000 «оптических пинцетов» - сверхфокусированных лазерных лучей, каждый из которых удерживал один атом цезия в вакуумной камере. В итоге получился массив из 6100 кубитов.

«На экране можно буквально видеть каждый кубит как световую точку», - сказала аспирантка Ханна Манетш. Это звучит поэтично, но за этим стоит инженерное чудо: удержать тысячи отдельных атомов в строгом порядке - примерно как выстроить шесть тысяч пылинок в идеальную решётку и не дать ни одной упасть.

Ключевое достижение - 6100 кубитов оставались в суперпозиции около 13 секунд, почти в десять раз дольше, чем было возможно в предыдущих массивах аналогичного типа. При этом точность управления отдельными кубитами составила 99,98%.

Исследователи сравнивали перемещение атомов при сохранении суперпозиции с балансировкой стакана воды во время бега. Деликатная задача - и они с ней справились.

Тринадцать секунд - это немного в человеческом масштабе. Но в квантовом мире, где суперпозиция обычно разрушается за микросекунды или миллисекунды, тринадцать секунд - это геологическая эпоха. Достаточно, чтобы выполнить полноценные квантовые вычисления с исправлением ошибок.

НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ 2025: ПРИЗНАНИЕ ТОГО, ЧТО УЖЕ РАБОТАЕТ

В октябре 2025 года Нобелевскую премию по физике получили Джон Кларк, Мишель Девере и Джон Мартинис - за открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи.

Это открытие, сделанное четыре десятилетия назад, сегодня лежит в основе всех сверхпроводящих квантовых компьютеров - Google, IBM, Quantinuum. Джон Мартинис непосредственно участвовал в разработке Google Quantum AI и в 2019 году помог продемонстрировать «квантовое превосходство» - решение задачи, недоступной классическим компьютерам. SpinQ

Нобелевская премия в данном случае - это не просто почёт. Это сигнал: технология перешла из категории «интересная физика» в категорию «меняет мир».

ДЕНЬГИ КАК БАРОМЕТР СЕРЬЁЗНОСТИ

Финансовые потоки в квантовые технологии - отдельный показатель того, насколько всё изменилось. Квантовые компании привлекли 3,77 миллиарда долларов в акционерный капитал только за первые девять месяцев 2025 года - почти втрое больше, чем за весь 2024 год. Национальные правительства инвестировали 10 миллиардов долларов к апрелю 2025 года, тогда как за весь 2024 год эта цифра составила 1,8 миллиарда.

Quantinuum - компания, запустившая в ноябре 2025 года коммерческий квантовый компьютер Helios - была оценена в 10 миллиардов долларов. Среди первых пользователей: JPMorgan Chase, SoftBank, BMW, фармацевтическая компания Amgen. Это уже не исследовательские проекты. Это коммерческое применение.

Нетрудно заметить, что в январе 2025 года генеральный директор Nvidia Дженсен Хуанг публично заявил: до действительно полезных квантовых компьютеров ещё 15–30 лет. Его слова вызвали раздражение в квантовом сообществе - и судя по тому, что произошло за следующие десять месяцев, послужили неплохой мотивацией.

ЧТО ВСЁ ЭТО ОТКРЫВАЕТ

Суперпозиция в масштабе тысяч кубитов, удерживаемая достаточно долго для вычислений с исправлением ошибок, - это не просто технический рекорд. Это переход от теоретической возможности к инженерной реальности. Что меняется?

Фармакология и биохимия. Моделирование поведения молекул - задача, которая для классических компьютеров требует упрощений, иногда убивающих смысл расчёта. Квантовый компьютер считает молекулярные взаимодействия так, как они устроены на самом деле - квантово-механически. Это означает возможность проектировать лекарства с принципиально иной точностью. Белки, которые сворачиваются непредсказуемо, механизмы действия препаратов, новые антибиотики - всё это задачи для квантовых машин.

Материаловедение. Новые сверхпроводники, более эффективные солнечные панели, аккумуляторы с в разы большей ёмкостью - здесь квантовые вычисления дают не постепенное улучшение, а другой класс возможностей для расчёта.

Криптография. Достаточно мощный квантовый компьютер способен вскрыть большинство современных алгоритмов шифрования, на которых держится интернет-безопасность. Это известно давно - и именно поэтому уже несколько лет идёт параллельная гонка за постквантовые криптографические стандарты. Переход неизбежен, вопрос только в сроках.

Оптимизация. Логистика, финансовые расчёты, управление энергосетями, маршрутизация - классы задач, где квантовые алгоритмы дают преимущество в скорости не на проценты, а на порядки.

Искусственный интеллект. Квантовые методы машинного обучения - пока скорее в стадии исследования, но несколько первых демонстраций уже показали ускорение на отдельных типах задач.

ЧТО ЕЩЁ НЕ РЕШЕНО

Пока квантовые компьютеры решают задачи, специально подобранные для демонстрации их преимуществ. Задача случайной выборки схем, на которой Willow показал феноменальный результат, не имеет прямого практического применения - это тест, а не расчёт лекарства.

Топологические кубиты Microsoft пока существуют в количестве восьми штук и требуют серьёзной экспериментальной проверки.

Масштабирование - всё ещё нерешённая проблема. Перейти от 100 кубитов к миллиону, сохраняя качество - инженерная задача колоссальной сложности.

Температура. Сверхпроводящие кубиты требуют охлаждения до температур, недостижимых простыми способами. Это делает квантовые компьютеры громоздкими и дорогими в эксплуатации.

Но темп изменений впечатляет. Ещё пять лет назад удержание суперпозиции в системе из тысяч кубитов на протяжении секунд казалось отдалённой перспективой. Сегодня это сделано - и опубликовано в Nature.

Кот Шрёдингера, который последние девяносто лет сидел в ящике с неопределённым будущим, похоже, наконец начинает из него выходить. В каком именно состоянии - живом или мёртвом - мы узнаем в ближайшее десятилетие. Хотя все ставки сейчас - на живого.

Взято у БЕЛОГО КРОЛИКА

Телеграм: t.me/ainewsline

Источник: vk.com

Комментарии: