После многих лет избегания Департамент энергетики присоединяется к разработке квантовых компьютеров

Министерство энергетики США (DOE) сделает свой вклад в разработку квантовых компьютеров: устройств, которые будут использовать квантовую механику для решения задач, которые неподвластны обычным компьютерам. Инициатива исходит от Google и других компаний, участвующих в создании квантового компьютера, который может продемонстрировать «квантовое превосходство», обгоняя классические компьютеры в тестовой задаче. Но достижение этого важного этапа не означает, что практическое применение уже доступно, а новая мотивация в размере 40 миллионов долларов США призвана стимулировать разработку полезных алгоритмов квантовых вычислений для использования в области химии, материаловедения, ядерной физики и физики частиц.

«Мы ищем алгоритмы, которые могут продвигать науку вперед», — говорит Стивен Бинкли (Stephen Binkley), исполняющий обязанности директора DOE в Вашингтоне, округ Колумбия, который в открытом письме от 29 ноября 2017 года призвал исследователей представить предложения для такой работы. Кроме призыва министерство энергетики выделило деньги в размере 5,4 млрд. долларов США.

Правительство США уже затрачивает около 250 миллионов долларов в год на квантовые вычисления, главным образом через Управление исследований армии, говорит Кристофер Монро, физик из Университета штата Мэриленд в Колледж-парке и соучредитель запуска IonQ по квантовым вычислениям. Но деньги Министерства энергетики будут поступать в основном в национальные лаборатории. Монро утверждает, что исследователи могут играть ведущую роль в разработке машин. «Промышленность не может этого сделать, потому что у них нет людей, и ученые не могут этого сделать, потому что они не инженеры-конструкторы».

В то время как обычный компьютер управляет битами, которые могут быть установлены как 0 или 1, квантовый компьютер использует квантовые биты или кубиты, которые, как ни странно, могут находиться в состоянии 0 и 1 в одно и то же время. Кубит может быть частью сверхпроводящего металла, который может быть электрически заряжен для кодирования 1, незаряженным для кодирования 0 или одновременно заряженным и незаряженным в одно и то же время. Захваченные ионы, которые могут вращаться в противоположных направлениях или в обоих направлениях одновременно, также могут служить кубитами. Благодаря возможности двух состояний- ококо 300 кубитов могли одновременно кодировать больше чисел, чем существует атомов в наблюдаемой вселенной.

Тем не менее, именно квантовым компьютерам приходится решать задачи, связанные с их возможностями и ограничениями. Задачи могут быть закодированы так, что потенциальные решения соответствуют разным волновым пакетам, передаваемым через кубиты. В соответствии с установленными настройками волны, проходящие по правильному пути, интерферируют, в то время как проходящие по ложному – гасят друг друга. Так продолжается, пока не получается правильный ответ. Именно таким образом квантовый компьютер может быстро обрабатывать большое количество данных, что потенциально позволяет взломать существующие протоколы интернет-шифрования. Но подобный подход может помочь не каждому вычислению.

Например, квантовые компьютеры не помогут проанализировать миллиарды записей об отдельных столкновениях частиц, создаваемых ускорителями заряженных частиц, такими как Большой адронный коллайдер в Швейцарии, — говорит Джеймс Амундсон, физик-теоретик в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Батавии, штат Иллинойс. Амандсон говорит, что каждая из записей легко анализируется, поэтому их нужно только пропустить через армию обычных, параллельно работающих компьютеров. А вот квантовый компьютер не поможет ускорить процесс.

__________________

101domain.ua — регистрируем любые домены

__________________

По мнению исследователей, машины обладают большими перспективами для некоторых проблем, таких как моделирование квантово-механических процессов. В химии, например, ферменты, называемые азотидами, являются катализаторами реакции, в процессе которой азотфиксирующие бактерии превращают азот из воздуха в форму, которую могут использовать растения. Ни один обычный компьютер не может точно рассчитать, как происходит этот процесс, но квантовый компьютер способен на это, — говорит Вибе де Йонг, химик из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, штат Калифорния. «Существует множество каталитических процессов, которые по-прежнему очень сложно моделировать из-за вычислительной сложности», -сетует он.

Квантовые компьютеры также могут помочь в разработке материалов базируясь на их атомарных составляющих. Они могут помочь предсказать, как ведет себя сверхплотная материя в нейтронных звездах или как протон распадается во время столкновения частиц. Все эти процессы включают взаимодействие квантовых волн, описывающих субатомные частицы. Отслеживание осциллирующих волн обычный компьютер игнорирует, однако квантовый компьютер автоматически обрабатывает этот аспект расчета, объясняет Мартин Сэвидж, теоретик-ядерщик из Вашингтонского университета в Сиэтле.

Исследователи только начали выяснять, как сопоставить такие проблемы на кубитах квантового компьютера. Чтобы ускорить процесс, DOE в сентябре 2017 года запустила два тестовых стенда, чтобы дизайнеры и ученые могли работать вместе над методиками квантовых вычислений. В лаборатории Беркли физик Ирфан Сиддики и его коллеги стремятся построить свой собственный 64-кубитный квантовый компьютер с использованием сверхпроводящих кубитов. Ответы пользователей будут влиять на их конструкцию, например, на их устройство и связь друг с другом на чипе, говорит Сиддики.

Стенд в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси, напротив, обеспечит удаленный доступ к существующим машинам в IBM и IonQ. Этот подход должен также приводить к «совместной конструкции», не требуя от исследователей Oak Ridge создания машины с нуля, поясняет Рафаэль Поозер, квантовый ученый-информатик в Oak Ridge.

В то же время коммерческие машины становятся все более мощными. На этой неделе исследователи из лаборатории Google в Санта-Барбаре, штат Калифорния, начали тестировать 50-кубитовый чип, который, по их мнению, достигнет квантового превосходства, хотя эксперимент может занять несколько месяцев. Тем не менее некоторые исследователи опасаются, что такая демонстрация может ввести общественность в заблуждение, считая, что ученые достигли конца пути разработки полезного квантового компьютера. «Это даже не начало дороги, — говорит Сиддики.

Джон Мартинис, физик, сотрудник Google, говорит, что компания «понимает, что квантовое превосходство — это не так то просто, и для достижения чего-то практического потребуется больше времени, а может быть, и намного больше». И DOE с ним явно соглашается.

__________________

101domain.ua — регистрируем любые домены

__________________