Google и стартап Quantinuum провели прорывные эксперименты в области квантовых вычислений. Противоречивые мнения о значимости результатов свидетельствуют о трудностях практического применения квантовых компьютеров.

Исследователи из Google и стартапа Quantinuum из Колорадо независимо друг от друга объявили в этом году о результатах, которые продвинули давно задуманную идею, призванную решить проблему хрупкости квантового оборудования. Обе команды продемонстрировали механизм, необходимый для компонента, называемого топологическим кубитом, который должен предложить способ хранения и манипулирования информацией, закодированной в квантовых состояниях, более надежный, чем существующие аппаратные конструкции. Но удалось ли двум компаниям на самом деле создать долгожданный компонент? Это зависит от того, кого вы спросите.

Физики разработали конструкцию топологического кубита, чтобы уменьшить ошибки в вычислениях, что позволит создавать более сложные алгоритмы и откроет двери для прогнозируемых денежных приложений технологии, от открытия лекарств до финансового моделирования и более эффективного искусственного интеллекта. "Это может стать транзисторным моментом для индустрии квантовых вычислений", - сказал основатель Quantinuum Ильяс Хан в заявлении компании. "Мы использовали квантовый компьютер в качестве станка для создания топологических кубитов".

Google провела демонстрацию, похожую на демонстрацию Quantinuum, используя собственный квантовый компьютер, но они отказываются обозначать ее таким же образом. "Мы не реализовали топологический кубит", - пишут исследователи Google Тронд Андерсен и Юрий Ленский в электронном письме на адрес .

Разногласия по поводу того, что именно происходит внутри некоторых ведущих прототипов квантовых компьютеров, указывают на трудности, с которыми сталкивается зарождающаяся индустрия. Исследователи разработали элегантные конструкции и захватывающие потенциальные приложения для начинающих машин, но им трудно реализовать их на практике.

Под давлением необходимости продемонстрировать прогресс своим финансовым спонсорам и нуждаясь в значительном финансировании для продолжения развития технологии, некоторые представители сообщества квантовых вычислений имеют тенденцию объявлять о вехах с двусмысленным значением, вызывая отпор со стороны некоторых недовольных физиков. Другие придерживаются противоположной точки зрения и осторожно квалифицируют свои достижения на техническом жаргоне. (В прошлом Google обвиняли в распространении шумихи: компания одной из первых объявила о спорной вехе квантовых вычислений и положила начало тенденции, которая привела к заявлению Quantinuum о топологическом кубите.)

Физик Сергей Фролов из Питтсбургского университета, который не участвовал в работе, отчаялся в шумихе и говорит, что ему ясно, что ни Quantinuum, ни Google не создали топологического кубита. "Это не выводит квантовые вычисления на новый уровень", - говорит он. Хотя Google и Quantinuum продемонстрировали, что их оборудование может проявлять несколько отличительных черт топологического кубита, его компоненты слишком хрупки, чтобы выполнять свою роль в квантовых вычислениях - надежно удерживать информацию и манипулировать ею. "На мой взгляд, у топологического кубита есть защита, - говорит Фролов. "А у этого нет".

Смелые заявления

Проект Google по изучению основ одной из святынь квантовых вычислений возник в результате сотрудничества с командой из Корнельского университета под руководством физика Ын-Ах Кима. В мае они опубликовали результаты в научном журнале Nature.

Топологические кубиты хранят и работают с цифровой информацией в причудливых миниатюрных объектах, известных как неабелевы анйоны, которые возникают в результате коллективного поведения электронов или других частиц, ограниченных плоской поверхностью. В отличие от большинства частиц, с которыми работают физики и инженеры, неабелевы анионы определяются не материалом, из которого они сделаны, а тем, как они ведут себя благодаря своим геометрическим свойствам. Обозначение "анион" схоже со словом "волна", поскольку волна определяется своим поведением и может состоять из воды, воздуха, металлической гитарной струны или множества других материалов. Исследователи предложили создавать неабелевы анионы из кластеров электронов, ионов, нейтральных атомов и сверхпроводящих цепей.

Самое важное, что неабелевы анионы сохраняют своего рода "память" о своем прошлом движении, которую можно использовать для представления двоичных данных. В самом простом виде топологический кубит - это система, которая кодирует данные в свойствах пар неабелевых анионов, физически меняя их местами в пространстве. Эти изменения устойчивы к внешним воздействиям, таким как крошечные вибрации или колебания температуры, которые могут разрушить другие кубиты - устойчивость, которая коренится в математике из области топологии, изучающей пространственные отношения и геометрию, которые остаются верными даже при искажении форм. Это делает неабелевы анионы желательными компонентами для хранения и манипулирования информацией в квантовых компьютерах.

Команда Кима создала неабелевы анионы, используя 25 сверхпроводящих схем, которые составляют один из квантовых компьютеров Google. Они показали, что после перемещения неабелевых аньонов они сохраняют память о своем прошлом движении. По словам Кима, это не оставляет места для споров, поскольку такая "память" является фирменной особенностью конструкции устройства. "Мы сделали топологический кубит", - говорит она.

Андерсен и Ленски из Google не согласны. Они не считают, что эксперимент демонстрирует топологический кубит, потому что этот объект не может надежно манипулировать информацией, чтобы достичь практических квантовых вычислений. "В рукописи неоднократно прямо говорится, что для достижения топологической защиты необходимо включить коррекцию ошибок и что это нужно сделать в будущей работе", - пишут они.

В разговоре с Тони Аттли, президентом и главным операционным директором Quantinuum, после майского заявления компании, он был непоколебим. "Мы создали топологический кубит", - сказал он. (В прошлом месяце Оттли заявил, что покидает компанию.) В ходе экспериментов компания создала неабелевы анионы из 27 ионов металла иттербия, взвешенных в электромагнитных полях. Команда манипулировала ионами, формируя неабелевы аньоны в ловушке в форме трека, и, как и в эксперименте Google, продемонстрировала, что аньоны могут "помнить", как они двигались. Quantinuum опубликовал свои результаты в препринте на arXiv без рецензирования за два дня до того, как в Nature появилась статья Кима.

Путь к совершенствованию

В конечном счете, никто не может сказать, создали ли эти две демонстрации топологические кубиты, потому что они не договорились о том, что такое топологический кубит - даже если существует широко распространенное согласие, что такая вещь очень желательна. Следовательно, Google и Quantinuum могут проводить похожие эксперименты с похожими результатами, но в итоге иметь две совершенно разные истории.

Несмотря на это, Фролов из Питтсбургского университета говорит, что ни одна из демонстраций, похоже, не приблизила область к истинной технологической цели топологического кубита. Хотя Google и Quantinuum, похоже, создали неабелевы анионы и манипулировали ими, базовые системы и используемые материалы были слишком хрупкими для практического применения.

Дэвид Пеккер, другой физик из Питтсбурга, который ранее использовал квантовый компьютер IBM для моделирования манипулирования неабелевыми анионами, говорит, что проекты Google и Quantinuum не демонстрируют никакого квантового преимущества в вычислительной мощности. Эксперименты не сдвигают область квантовых вычислений с того места, на котором она находилась некоторое время: Работа над системами, которые слишком малы, чтобы конкурировать с существующими компьютерами. "Мой iPhone может смоделировать 27 кубитов с большей точностью, чем машина Google может сделать это с реальными кубитами", - говорит Пеккер.

Тем не менее, технологические прорывы иногда вырастают из постепенного прогресса. Создание практического топологического кубита потребует всевозможных исследований - больших и малых - неабелевых анионов и математики, лежащей в основе их причудливого поведения. На этом пути интерес индустрии квантовых вычислений помогает углубить некоторые фундаментальные вопросы физики.

Нобелевский лауреат и физик-теоретик Фрэнк Вильчек впервые предложил существование анионов, особым типом которых являются неабелевы анионы, в 1982 году, вне контекста технологии. Анионы, если бы они существовали, представляли собой принципиально новую категорию материи, отдельную от ранее признанных частиц, таких как электроны и фотоны. Идея Вильчека расширила типы объектов, которые могла допустить природа, и в течение многих лет физики пытались убедительно показать, что неабелевы анионы существуют. Хотя физики и раньше находили доказательства их существования, работа Quantinuum и Google впервые демонстрирует их характерную особенность - "память" о своем движении.

Как говорит Ким, она хотела провести этот эксперимент, чтобы изучить сами аньоны, а не потому, что стремилась создать лучший квантовый компьютер. "Как физик-теоретик, Ким глубоко задумалась о квантовых частицах, таких как аньоны, чтобы создать проверяемые гипотезы о том, как странно они могут вести себя в определенных материалах. Ее работа была продиктована любопытством к тому, как устроена материя. Но какое-то время было слишком сложно манипулировать материалами в лаборатории с тем уровнем контроля, который был ей необходим. "Я как бы сдалась, потому что разрыв между реальным миром и тем, где комфортно жить теоретикам, казался слишком большим", - говорит она.

Квантовый компьютер Google дал Ким возможность создавать анионы и проверять свои гипотезы. Возможно, зарождающейся индустрии квантовых вычислений придется подождать еще некоторое время, пока она не получит практические топологические кубиты, с которыми можно будет начать строить, но такие проекты, как проект Ким и Quantinuum, помогают углубить понимание физиками неабелевых анионов.