Квантовые компьютеры сегодня немного напоминают первые электронные вычислительные машины.
Самая известная фотография выглядит примерно одинаково: огромная конструкция, куча кабелей, холодильники размером со шкаф, лазеры, оптика, стойки электроники — и где-то внутри всей этой инженерной красоты находятся несколько десятков или сотен очень нежных квантовых элементов.
Поэтому новости о квантовых компьютерах обычно соревнуются одним числом.
У нас 100 кубитов.
У нас 1000.
А у нас миллион когда-нибудь будет.
Но в сентябре вышла работа, где самое интересное число совершенно другое:
4 на 7 миллиметров.
Именно такой размер имеет кремниевый чип, на котором исследователям удалось собрать целый фотонный квантовый процессор — от рождения запутанных фотонов до их программируемой обработки и измерения.
Это ещё не квантовый ноутбук.
Но это очень хороший пример того, почему следующая большая гонка в квантовых вычислениях может оказаться не за количеством кубитов.
А за тем, кто первым научится нормально производить всю эту чертовщину как микросхему.
Потому что настоящий компьютер — это не один хороший кубит
Допустим, учёные сделали прекрасный квантовый элемент.
Долго живёт.
Мало ошибается.
Хорошо управляется.
Отлично.
Теперь нам нужны ещё тысяча таких же.
Потом миллион.
Каждый нужно подключить.
Управлять им.
Передавать сигналы.
Создавать запутанность.
Считывать результат.
Исправлять ошибки.
И всё это должно работать одновременно.
Вот здесь лабораторная физика постепенно превращается в инженерный кошмар.
Можно построить идеальный квантовый эксперимент на большом оптическом столе.
Зеркало здесь.
Лазер там.
Модулятор ещё через полметра.
Фильтр.
Детектор.
Волокно.
Ещё один прибор.
Для научной статьи прекрасно.
Для производства миллиона компьютеров — слегка неудобно.
Фотонный квантовый компьютер вообще выглядит очень заманчиво
Вместо электрического тока или электронов он работает со светом.
Квантом информации становится состояние отдельного фотона или нескольких фотонов.
У такого подхода есть красивые преимущества.
Фотоны быстро двигаются.
Слабо взаимодействуют с окружающей средой.
Их прекрасно умеет передавать телекоммуникационная промышленность.
Оптоволокно человечество уже проложило в огромных количествах.
Лазеры, модуляторы, фильтры и фотонные микросхемы тоже существуют не первый день.
Поэтому возникает почти очевидная мысль:
если обычную электронику удалось упаковать в микрочип, почему бы не сделать то же самое со светом?
На практике оказалось, что «почему бы» занимает несколько десятилетий.
Свет очень удобно передавать и довольно сложно заставить считать
Обычный транзистор прекрасно взаимодействует с другим транзистором.
Электрический сигнал можно усиливать, переключать, хранить и направлять.
Фотоны значительно более независимые ребята.
Два луча света спокойно проходят друг сквозь друга, не интересуясь соседями.
Для оптоволокна это замечательно.
Для вычислений — не всегда.
Квантовой системе нужно уметь создавать нужные состояния, запутывать их, смешивать, изменять фазу и потом правильно измерять.
Поэтому фотонный компьютер — не просто маленький фонарик на кремнии.
Нужна полноценная оптическая фабрика внутри микросхемы.
И как раз такую фабрику новая работа пытается собрать.
Начинается всё с пары фотонов
На чипе есть микрорезонатор — крошечная структура, в которой свет многократно циркулирует.
При определённых условиях один входной фотонный процесс способен породить пару коррелированных фотонов.
Причём исследователи работают не просто с двумя состояниями «ноль» и «один».
Они используют так называемые frequency bins — частотные ячейки.
Грубо говоря, квантовая информация кодируется в разных частотах света.
Можно представить несколько очень близких нот.
Каждая немного отличается по частоте.
Обычное ухо разницу, возможно, почти не заметит.
Для фотонного процессора каждая такая «нота» может быть отдельным состоянием квантовой системы.
И здесь появляется одно из главных преимуществ подхода
В обычном кубите у нас два базовых состояния.
Ноль.
Один.
А частотное пространство позволяет удобно работать с большим количеством состояний внутри одного фотонного канала.
Потенциально можно создавать ку́диты — квантовые элементы с количеством уровней больше двух.
Для некоторых вычислений это позволяет упаковывать больше информации и выполнять операции параллельно.
Кроме того, частоты уже прекрасно работают в телекоммуникациях.
Один оптоволоконный кабель сегодня одновременно передаёт огромное количество каналов разных длин волн.
То есть квантовая технология пытается использовать промышленную инфраструктуру, которую человечество уже научилось массово производить.
Это всегда хороший признак.
Но раньше вся система была разбросана по лаборатории
Источник фотонов — отдельный элемент.
Фильтр — отдельный.
Модулятор — отдельный.
Настройка спектра — ещё одно устройство.
Потом кабели.
Соединения.
Оптика.
Каждое соединение — потери.
Каждый прибор нужно точно настроить.
Каждый дополнительный элемент увеличивает размер и стоимость установки.
А главное — масштабировать такую конструкцию довольно мучительно.
Представьте современный процессор, в котором каждый транзистор находится в отдельной коробочке и соединён проводом с соседним.
Технически вычислять можно.
Миллиард штук собирать как-то не хочется.
Поэтому новая работа интересна именно словом «интегрированный»
Исследователи поместили на один кремниевый фотонный чип несколько вещей, которые раньше часто жили отдельно.
Источник квантового частотного гребня.
Фильтр, который убирает мощный лазерный сигнал накачки.
Высокоскоростные фазовые модуляторы.
И программируемый спектральный формирователь, который способен отдельно управлять несколькими частотными каналами.
В результате квантовое состояние рождается, обрабатывается и контролируется на одной пластинке кремния площадью меньше ногтя.
Вот это и есть настоящее достижение.
Не «мы нашли новый кубит».
А:
мы начали собирать квантовый компьютер тем же способом, которым обычная электроника когда-то превратилась из шкафа в микросхему.
Причём чип действительно выполнял квантовые операции
Это не просто красивая интеграция компонентов.
Команда продемонстрировала программируемые частотные делители луча — квантовый аналог операций, необходимых для управления состояниями.
Верность выполнения отдельных операций превышала 99,9%.
Исследователи также смогли реализовать более общие однокубитные операции и работать с высокоразмерными запутанными состояниями.
На самом чипе проводили квантовые прогулки двух фотонов и томографию запутанного состояния Белла.
Для последнего получили верность около 95,7%.
То есть микросхема не просто содержит нужные детали.
Она действительно выполняет квантовую обработку.
Но теперь важное «НО»
Это не полноценный универсальный квантовый компьютер размером 4×7 миллиметров.
Если завтра в заголовке появится:
«Учёные создали квантовый компьютер размером с ноготь»,
можно спокойно закрывать статью.
Исследователи сделали интегрированный квантовый процессор определённого типа.
Внешняя аппаратура всё ещё нужна.
Детектирование фотонов остаётся отдельной большой задачей.
Нужны источники управления.
Электроника.
Связь.
В некоторых системах — охлаждение.
А до универсальной отказоустойчивой квантовой машины вообще остаётся приличное количество инженерной боли.
Но история транзистора тоже не началась с MacBook.
Первый интегральный чип тоже умел довольно немного
В конце 1950-х первые интегральные схемы содержали буквально несколько компонентов.
Если смотреть на них глазами человека, привыкшего к современному процессору с десятками миллиардов транзисторов, достижение выглядит почти смешно.
Зачем вообще запихивать несколько элементов на одну маленькую пластинку?
Можно же прекрасно собрать их отдельно.
Проблема в том, что именно эта идея потом сделала возможным всё остальное.
Когда несколько компонентов находятся на одном кристалле, появляются преимущества производства.
Меньше соединений.
Меньше размер.
Ниже стоимость.
Выше повторяемость.
А самое главное — масштабирование начинает происходить технологически, а не вручную.
Вот почему квантовые инженеры так любят слово integration.
Настоящая революция начинается на фабрике
Про квантовые компьютеры часто говорят языком физики.
Когерентность.
Запутанность.
Фиделити.
Квантовое превосходство.
Но коммерческий компьютер должен выдержать гораздо более скучный экзамен.
Можно ли изготовить десять тысяч таких чипов?
Будут ли они одинаковыми?
Какой процент окажется рабочим?
Можно ли протестировать их автоматически?
Насколько дорог каждый экземпляр?
Можно ли использовать существующее полупроводниковое оборудование?
Что произойдёт с параметрами при небольшом отклонении производства?
Вот здесь многолетний опыт обычной микроэлектроники становится невероятно ценным.
Именно поэтому кремний продолжает возникать почти во всех разговорах о масштабируемых квантовых компьютерах.
Кремний хорош не потому, что физика его особенно любит
Человечество просто потратило лет семьдесят и триллионы долларов на то, чтобы невероятно хорошо научиться делать из него микросхемы.
Размеры элементов — нанометры.
Миллиарды компонентов.
Автоматическая литография.
Контроль качества.
Огромные фабрики.
Стандартизированные процессы.
Инженеры мечтают использовать хотя бы кусочек этой машины для квантовых вычислений.
Не строить всю промышленность заново.
А подсесть на уже существующую.
Поэтому в новой работе особенно важна совместимость с технологиями silicon photonics.
Это не экзотический кристалл, который выращивают трое профессоров при полной луне.
Это направление, которое уже используется в обычных коммуникационных чипах.
И фотонные процессоры интересны далеко не только квантовым компьютерам
Здесь технологии начинают довольно красиво пересекаться.
Современный AI съедает чудовищное количество вычислений и энергии.
Одна из главных проблем — перемещение данных между чипами.
Электрические соединения начинают упираться в энергопотребление и пропускную способность.
Поэтому крупнейшие производители уже активно двигают оптические соединения прямо к процессорам.
Свет оказывается удобнее для перемещения огромных потоков данных.
Параллельно развиваются фотонные ускорители, где часть вычислений для нейросетей выполняется самим светом.
И рядом развивается фотонная квантовая обработка.
Это пока разные рынки и разные устройства.
Но под ними начинает формироваться общая промышленная база.
Фотонные чипы.
Модуляторы.
Источники света.
Новые способы упаковки.
Производство.
То есть гонка AI может неожиданно помочь квантовым компьютерам
Не потому что ChatGPT внезапно станет квантовым.
А потому что огромные деньги идут в фотонику.
AI-дата-центрам нужны быстрые и энергоэффективные оптические соединения.
Производители инвестируют в silicon photonics.
Растут объёмы.
Улучшается производство.
Дешевеют компоненты.
Появляются новые фабричные процессы.
А часть этих же возможностей потом можно использовать в квантовых устройствах.
История технологий регулярно работает именно так.
Один гигантский рынок оплачивает промышленную инфраструктуру, которой потом пользуются десятки других.
С квантовыми компьютерами вообще слишком долго смотрели на одно число
Количество кубитов очень удобно для заголовков.
Компания А — 1000.
Компания Б — 1200.
Компания В обещала сто тысяч.
Победитель вроде бы очевиден.
Только тысяча плохих кубитов может оказаться менее полезной, чем сто очень хороших.
А сто хороших кубитов без масштабируемого управления могут остаться великолепным лабораторным прибором.
Поэтому реальная гонка состоит из нескольких независимых проблем.
Качество квантового элемента.
Ошибки.
Связность.
Считывание.
Управление.
Коррекция ошибок.
Производство.
Упаковка.
И именно последнее слово довольно долго получало меньше внимания публики, чем заслуживало.
Потому что миллион кубитов нужно ещё как-то подключить
Возьмём сверхпроводниковый компьютер.
Каждому кубиту нужны линии управления.
Кабели идут внутрь криогенной установки.
Чем больше кубитов, тем страшнее становится проводка.
Электроника сама выделяет тепло.
Пространства мало.
Получается инженерная версия макаронной фабрики.
Поэтому в июле другая команда показала очень интересную работу уже с кремниевыми спиновыми кубитами.
Там квантовый процессор связали со специально разработанным цифровым CMOS-контроллером, способным работать при криогенных температурах.
Опять ключевая идея та же.
Не новый рекорд числа кубитов.
Интеграция управления.
Похоже, вся отрасль постепенно пришла к одному и тому же выводу.
Физика кубита — лишь половина проблемы.
Нам нужен квантовый эквивалент обычной материнской платы
Сегодня пользователь вообще не думает, каким чудом процессор разговаривает с памятью.
Как синхронизируются миллиарды транзисторов.
Как распределяется питание.
Как данные проходят между ядрами.
Всё это спрятано за десятилетиями стандартизации и инженерии.
Квантовый компьютер пока находится на стадии, где значительная часть подобных вопросов решается индивидуально для каждой лаборатории.
Условно:
— Вот наш замечательный кубит.
— А как его подключать, если их миллион?
— Эээ… следующая статья.
Именно сейчас эти «следующие статьи» становятся, возможно, важнее новых рекордов кубитов.
Даже фотонный чип 4×7 миллиметров ещё слишком большой — и одновременно невероятно маленький
Для микроэлектроники 28 квадратных миллиметров — совершенно нормальный размер кристалла.
Современные GPU могут быть намного больше.
Но для квантовой оптической установки это почти магия.
То, что раньше требует отдельного стола с тщательно выровненными компонентами, постепенно уезжает внутрь микросхемы.
Это не просто уменьшение размера.
Изменяется сама природа устройства.
Лабораторная установка требует человека, который её собирает и настраивает.
Интегральный чип можно спроектировать один раз и затем воспроизводить.
Вот здесь физический эксперимент начинает превращаться в продукт.
Кстати, именно поэтому я бы не ставил сегодня деньги только на одну квантовую технологию
Сверхпроводники выглядят сильно.
Ионные ловушки тоже.
Нейтральные атомы быстро развиваются.
Фотоника имеет свои козыри.
Спиновые кубиты в кремнии — свои.
Топологические подходы пытаются решить часть проблем принципиально иначе.
Сегодня ещё слишком рано говорить:
— Всё, победитель найден.
В истории вычислительной техники бывало достаточно технологий, которые великолепно работали в лаборатории и проиграли производство.
И наоборот.
Не всегда выигрывает физически самый красивый принцип.
Иногда выигрывает тот, который лучше штампуется на фабрике.
Посмотрите на обычный процессор
Можно придумать транзистор с прекрасными характеристиками.
Но если его нельзя изготовить миллиард раз на одном кристалле с приемлемым процентом брака, Intel или TSMC он мало интересует.
Квантовой индустрии предстоит пройти примерно то же взросление.
Сегодня исследователь может сказать:
— У нас кубит с великолепной когерентностью.
Завтра инженер спросит:
— Хорошо. А wafer yield какой?
И вот тогда квантовые технологии окончательно перестанут быть исключительно фундаментальной физикой.
Начнётся нормальная полупроводниковая мясорубка.
Вполне возможно, что настоящий победитель будет выглядеть скучно
Не гигантская золотая люстра.
Не комната, где учёные в халатах выставляют лазеры.
Не очень красивый атом в вакууме.
А обычная чёрная микросхема.
Серийный корпус.
Стандартный разъём.
Документация.
Партномер.
Сто тысяч штук в год.
Если мы когда-нибудь увидим такую фотографию настоящего квантового процессора, вот тогда можно будет начинать говорить, что отрасль действительно выросла.
Потому что революция компьютеров произошла не тогда, когда человечество доказало, что электронные вычисления возможны.
Она произошла, когда вычислительную машину научились производить как изделие.
И здесь квантовый мир неожиданно сталкивается с тем же законом, что роботы
Мы недавно разбирали Unitree.
Американские лаборатории сделали огромную часть фундаментальной работы по динамическим четвероногим роботам.
Но массовый рынок появился там, где кто-то научился дешёво и повторяемо производить моторы, редукторы, контроллеры и целого робота.
С квантовыми компьютерами будет то же самое, только на другом уровне сложности.
Можно выиграть Нобелевскую премию за принцип.
А потом проиграть рынок тому, кто научился делать миллион одинаковых устройств без профессора с отвёрткой возле каждого экземпляра.
Это слегка несправедливо.
И совершенно нормально.
Поэтому мне эта новость нравится гораздо больше очередного рекорда
«Создали процессор со 130 кубитами вместо 127» — интересно специалистам.
«На одном кремниевом чипе удалось объединить источник квантовых состояний, фильтрацию, управление и программируемую обработку» — это другой тип прогресса.
Он выглядит менее эффектно.
Зато говорит:
мы начинаем понимать, как из эксперимента сделать машину.
А именно на этом обычно и ломается большая часть технологий будущего.
Работает один экземпляр — великолепно.
Работает сто одинаковых — уже инженерия.
Работает миллион и стоит разумных денег — начинается революция.
Хотя персональный квантовый компьютер нам, скорее всего, вообще не понадобится
Важное заблуждение состоит в том, что квантовый компьютер должен заменить обычный.
Не должен.
Ваш браузер совершенно не станет лучше работать на квантовом процессоре.
Telegram не нуждается в запутанных фотонах.
Excel тоже переживёт.
Квантовые системы интересны для узких классов задач: квантовая химия, моделирование материалов, отдельные оптимизационные и криптографические применения, научные вычисления.
Скорее всего, человек будет использовать их так же, как сегодня GPU-кластер.
Через облако.
Отправил задачу.
Получил ответ.
Даже не знаешь, какая конкретно физика работала внутри.
Именно поэтому миниатюризация важна не ради квантового смартфона.
Она нужна, чтобы такие машины вообще можно было строить в промышленном масштабе.
А если посмотреть ещё шире — вся вычислительная техника снова становится физикой
Последние годы мы слишком привыкли думать о прогрессе компьютеров как о прогрессе софта.
Новая нейросеть.
Новый алгоритм.
Новый агент.
Но под ними постоянно находится железо.
GPU.
Память.
Фотоника.
Электросети.
Охлаждение.
Теперь ещё квантовые устройства.
И чем дальше развивается ИИ, тем сильнее эта физическая база снова выходит на первый план.
Я в GPT-Лаборатории поэтому и люблю такие новости не меньше очередного GPT. Они показывают нижний этаж технологической революции — тот, где красивые идеи внезапно приходится превращать в настоящее железо.
Потому что алгоритм можно скопировать за секунду.
Фабрику микросхем — пока нет.
Возможно, главная квантовая гонка уже поменялась
Первый этап был:
можно ли вообще управлять отдельным квантовым объектом?
Можно.
Второй:
можно ли связать несколько и заставить их вычислять?
Тоже можно.
Теперь начинается третий:
можно ли собрать всё это так, чтобы система масштабировалась без пропорционального роста лаборатории вокруг неё?
Вот здесь маленький кремниевый чип становится очень важным.
На нём пока нет миллиона кубитов.
Даже близко.
Но на нём появляется кое-что, без чего миллион кубитов может вообще никогда не понадобиться:
интеграция.
История классических компьютеров уже однажды показала, чем заканчивается момент, когда отдельные электронные компоненты наконец переезжают на общий кристалл.
Сначала несколько деталей.
Потом тысячи.
Миллионы.
Миллиарды.
С квантовыми процессорами такой экспоненты пока никто не обещает.
Физика значительно сложнее.
Но направление очень знакомое.
И если однажды квантовый компьютер действительно станет полезной массовой машиной, вполне возможно, что главным прорывом окажется не день, когда учёные получили очередной кубит.
А день, когда инженер посмотрел на целый лабораторный стол и сказал:
— Давайте всё это запихнём в чип.
