Honeywell разместит квантовые компьютеры на пойманных ионах в квантовом облаке Microsoft
Уже много лет учёные разрабатывают различные системы, на которых можно было бы выполнять квантовые алгоритмы. У большей части из них есть одно-два преимущества – лёгкость в обращении или способность дольше других удерживать состояние – однако отсутствуют иные положительные качества, что не даёт им стать практическими решениями для вычислений. Однако в последние годы некоторые компании придумали, как манипулировать значительным количеством твердотельных кубитов – т.н. трансмонами. Поскольку технология производства трансмонов схожа с производством обычных чипов, многие игроки нарождающегося рынка – включая Google, IBM и Rigetti – остановились на трансмонах.
Однако и трансмоны не идеальны. Им требуются чрезвычайно низкие температуры, малая вариабельность от устройства к устройству, и состояние они удерживают хорошо, но не идеально. Многие специалисты в этой области считают, что у иной технологии всё ещё есть шансы превзойти трансмоны.
И вот, компания-новичок на рынке квантовых вычислений тоже делает на это ставку. Honeywell, компания, больше известная, как поставщик для министерства обороны, объявила о создании квантового компьютера на базе альтернативной технологии «ионных ловушек», и в этом году даст доступ к своим компьютерам посредством облачного сервиса Microsoft Azure. Также компания заявляет, что по некоторым оценкам это самый мощный из созданных на сегодня квантовых компьютеров, однако к этому заявлению стоит относиться очень осторожно.
Пойманы в ловушку
Кубиты-трансмоны работают при циркуляции тока в петле сверхпроводящего провода, подсоединённого к резонатору, позволяющему контролировать и считывать состояние тока. Однако поскольку сверхпроводящий провод и резонатор необходимо изготавливать на производстве, это может привести к появлению небольших отличий между отдельными кубитами. Кроме того, всё это железо нужно держать при чрезвычайно низкой температуре, лишь немногим превышающей абсолютный ноль, чтобы удерживать эти относительно крупные объекты в пределах их основного квантового состояния.
Пойманные ионы дают возможность обойти некоторые из этих проблем. Сам кубит формируется из небольшого количества атомов – в случае Honeywell, из двух. Президент квантовых решений Honeywell, Тони Аттли, подчёркивает, что этот факт устраняет проблемы с производством, поскольку у каждого устройства получаются одинаковые свойства, определяемые используемым атомом (в данном случае это иттербий). «Каждый кубит начинается с идеала, — рассказал нам Аттли. – Любая вносимая ошибка проистекает из окружающей инфраструктуры».
Благодаря опыту Honeywell в изготовлении и интеграции этой инфраструктуры, инженеры компании считают, что находятся в идеальном положении для минимизации этого шума. Кроме того, такие небольшие скопления атомов можно охлаждать при помощи лазеров. И хотя температуру окружающей среды необходимо сохранять очень низкой, ей не обязательно достигать экстремальных температур, необходимых для трансмона.
В случае Honeywell атомы иттербия оказалось не так-то легко охлаждать лазерами, поэтому компания добавила к системе парочку атомов бария и охладила лазером уже их. Скопление из четырёх ионов легко охлаждать и контролировать, а окружение достаточно держать при температуре в 12 К. Хоть для этого и требуется жидкий гелий, зато не нужно сложное сжижающее охлаждающее оборудование, которое требуется для железа от Google и IBM.
Поскольку ионы заряжены, в рамках устройства их можно двигать, просто изменяя локальные электрические поля при помощи 200 электродов, встроенных в устройство. Состоянием электронов в ионах можно управлять при помощи лазеров с определённой длиной волны, способных помещать электроны в суперпозицию с потенциальными энергетическими состояниями. Запутанность и различные логические операции можно проводить, просто передвинув два иона поближе друг к другу, и используя лазеры, работающие с ними двумя одновременно. Считывание производится стимуляцией ионов ещё одним лазером, заставляющим ионы испускать фотон, по которому можно судить об их состоянии.
Устройство от Honeywell
Устройство от Honeywell можно представить себе как линейку отдельных устройств. С одного конца заходят ионы, которые затем перемещаются по сменяющим друг друга участкам, где их можно задерживать для хранения или облучать лазерами, манипулирующими кубитами. Логические операции (квантовый эквивалент операций AND и NOT) можно проводить, просто располагая два иона рядом, и выполняя операцию на них одновременно. Кроме того, скопления из четырёх ионов (два иттербия, два бария) можно разделать на две части, или можно объединять два скопления по два иона.
Устройство, о котором Honeywell рассказывает сегодня, выравнивает четыре кубита на одной линии этих этапов хранения и манипуляций. Однако на диаграмме устройства также показаны две дополнительные линии этапов хранения и манипулирования, идущие с двух сторон от линии, использовавшейся в изначальных экспериментах. Это соответствует тому, что сказал Аттли: в Honeywell убеждены, что устройство можно быстро масштабировать, и что дополнительные кубиты можно будет добавлять ежегодно, не меняя архитектуру на фундаментальном уровне. Так что, хотя четыре кубита – это мало по сравнению с тем, что получено на устройствах с трансмонами, компания считает, что сможет довольно быстро преодолеть этот разрыв.
Для управления состояния кубитов требуется МНОГО лазеров
Одним из интересных аспектов такой схемы, которого, по словам Аттли, недостаёт другим существующим коммерческим системам, является возможность измерения кубитов по отдельности, не тревожа никаких других частей системы. (Технически это проводится при помощи операции с фантастическим названием CNOT-вентиль квантовой телепортации). Она позволяет компьютеру выполнять эквивалент ветвления IF, меняя алгоритм на основе результатов измерения отдельного кубита. После измерения кубит также можно привести к первоначальному состоянию и повторно использовать для дальнейших вычислений.
Отдельные компоненты системы ведут себя прекрасно. Одной потенциальной проблемой является «подготовка состояния и ошибки измерений», которую сократили до аббревиатуры SPAM [state preparation and measurement errors]. В данном случае исследователи из Honeywell обнаружили, что в SPAM доминируют ошибки измерений, однако они случаются менее чем в 1% случаев. У однокубитных вентилей ошибки происходят на порядок реже, у двухкубитных вентилей – на сходном уровне. И всё это значительно ниже типичных показателей трансмонов.
Насчёт того показателя эффективности
Honeywell представляет это, как «мощнейший квантовый компьютер в мире», однако правота заявления сильно зависит от используемых схем измерения быстродействия. Honeywell использует меру, определённую IBM, и названную ею «квантовым объёмом». Процитируем часть анализа квантового объёма, сделанного Крисом Ли, поскольку он хорошо описывает его связь с компьютером от Honeywell:
Поскольку квантовые вентили всегда могут выдать ошибку, существует максимальное количество операций, которое можно выполнить до того, как будет неразумно считать состояние кубита верным. Это количество, умноженное на количество кубитов, даёт нам глубину схемы. Если использовать его честно, оно довольно точно описывает то, на что способен квантовый компьютер.
Проблема с глубиной состоит в том, что можно поддерживать общее количество кубитов неизменным (и небольшим), уменьшая процент ошибок до очень малых значений. В итоге у вас получается огромная глубина, но при этом получается проводить только вычисления, укладывающиеся в то количество кубитов, которое у вас есть. Двухкубитный квантовый компьютер огромной глубины всё равно будет бесполезным.
Получается, что цель оценки состоит в том, чтобы выразить вычислительные возможности показателем, включающим в себя количество кубитов и глубину схемы. Для конкретного объёма алгоритма и задачи это будет минимальное количество кубитов, необходимое для проведения вычислений. А в зависимости от связи кубитов друг с другом для реализации алгоритма потребуется произвести определённое количество операций. Исследователи выражают это число, сравнивая максимальное количество задействованных в вычислениях кубитов с глубиной схемы, и возводя в квадрат минимальный из двух этих показателей. Так что максимально возможным квантовым объёмом будет просто количество кубитов в квадрате.
Как отмечено выше, Honeywell сообщает о крайне низком уровне ошибок, что означает, что каждое вычисление, работающее на четырёх кубитах её компьютера, скорее всего, не будет содержать ошибок. А поскольку ионы можно двигать внутри устройства по желанию, их можно произвольно соединять друг с другом. Получается, что квантовый объём равняется количеству кубитов в квадрате. Это отличается от показателей оборудования, используемого в Google и IBM, где кубитов в 10 раз больше, но ошибок значительно больше, а кубиты можно соединять только с небольшим количеством соседних.
В итоге, чтобы машина от Honeywell догнала машины её соперников по квантовому объёму, в неё не придётся добавлять слишком много дополнительных кубитов. Структура машины, которую она описывает сегодня, определённо позволяет добавлять к ней кубиты. В итоге, компания заявляет о квантовом объёме в 64, что означает восемь кубитов, и есть все основания ей верить.
Однако если IBM уже представила компьютер, содержащий почти 64 реальных кубита, а Google должна вскоре последовать её примеру, сделают ли погоду всего восемь кубитов? Ответ, как обычно, неоднозначен. Некоторые алгоритмы будут сильно зависеть от связности кубитов. И хотя их можно будет запускать на более крупных машинах с меньшей связностью, для этого потребуется, чтобы большее число кубитов служили связующими звеньями, организовывая эквивалентную связность, а каждый из них потенциально способен внести в расчёты ошибку. Высокая связность машины Honeywell может возместить необходимость в дополнительных операциях, да и операции всё равно не являются основным источником ошибок.
Ионная ловушка крупным планом; видно различные зоны для хранения и манипулирования кубитами
А ещё есть проблема масштабирования. Аттли рассказал, что компания должна суметь увеличивать квантовый объём на порядок ежегодно в течение ближайших пяти лет, для чего потребуется добавлять по 3-4 кубита в год. Это значит, что даже через пять лет в компьютере будет порядка 30 кубитов – в два раза меньше сегодняшних показателей у конкурентов. Тем временем Google и IBM работают над уменьшением количества ошибок, и добавляет по паре десятков кубитов в свои машины раз в несколько лет.
Если планы всех компаний сбудутся, через несколько лет ситуация станет весьма интересной. У Honeywell будет значительное преимущество в квантовом объёме, а у её конкурентов с железом на трансмонах будет на порядок больше кубитов. Тем временем использующие трансмоны команды намереваются создавать квантовые компьютеры с коррекцией ошибок, для чего потребуются тысячи кубитов – что означает, что исследователи ожидают, что с какого-то момента они научатся добавлять сотни кубитов с каждым новым поколением чипов.
Поскольку неясно, когда, по мнению компаний, такой рост кубитов должен начаться, непонятно, как выход Honeywell может изменить конкурентный ландшафт.
Что у нас пока будет
Honeywell, компания, подразделения которой занимаются всем, от спорттоваров до подряда у военных, определённо представляет собой необычного конкурента на рынке, где доминирует смесь из стартапов и традиционных вычислительных компаний. Однако компания рассказала непротиворечивую историю её выхода на рынок: в рамках своей производственной работы Honeywell разработала множество составляющих компьютера на ионных ловушках – такие, как фотоника, криогеника, вакуумные системы – для других целей. И группа учёных компании заявила, что потенциал данной области достаточно большой, чтобы его стоило попробовать развить. А поскольку Honeywell – это большая компания, она смогла набрать достаточно сильную группу людей, увлечённых разработкой этого проекта.
Как и другие компании в данной области, Honeywell определила, что большинству компаний не хочется создавать собственную инфраструктуру, в которой могла бы работать их система охлаждения на жидком гелии. Поэтому Honeywell собирается предоставлять доступ к её квантовым компьютерам посредством облака. Также она договорилась с Microsoft, чтобы к системе можно было получить доступ через её сервис Azure.
Для написания программ, которые используются в текущей работе, исследователи Honeywell адаптировали Qiskit от IBM, инструмент с открытым кодом, позволяющий описывать квантовые алгоритмы в виде, не привязанном к определённому железу, а потом выдающий реальные команды для работы программы на конкретном железе (что-то вроде кросс-платформного компилятора). Компания таким образом надеется воспользоваться уже существующими экспертными решениями. Также это может означать, что компании смогут разработать набор квантовых алгоритмов, а потом запускать их на любых системах, с нужными ими свойствами – высокой связностью или большим количеством кубитов – для достижения необходимого быстродействия.
Друзья и конкуренты
Возможно из-за ввода совершенно новой архитектуры компания совместила объявление о своей технологии с двумя вкладами в компании, уже занимающиеся разработкой квантовых алгоритмов. Также она объявила о том, что финансовый гигант JPMorgan Chase будет работать с Honeywell над изучением возможностей использования её системы для разработки финансовых алгоритмов. Это не значит, что система полностью готова к использованию; мы уже беседовали с людьми из JPMorgan Chase, и они говорили, что пытаются гарантировать полную готовность компании к моменту появления практических квантовых компьютеров.
Всё это свидетельствует в пользу того, что Honeywell серьёзно относится к своим разработкам и надеется стать одним из главных соперников в пространстве квантовых вычислений. И если её прогнозы на будущее сбудутся, то так оно, скорее всего, и будет.
У наблюдателя может возникнуть искушение сравнить ситуацию с соперничеством традиционных компьютерных архитектур, где сегодня активно сражаются x86 и ARM. Однако эти различные архитектуры изготавливаются одинаковыми методами и работают с одинаковыми компонентами. В описываемом же случае две конкурирующие архитектуры базируются на физически совершенно разных системах, у которых совпадают лишь некоторые правила работы. Это совершенно другой набор условий, и гораздо более интересный.
