Полный выпуск подкаста «Горизонты событий» с Мариной Петраковой о кубитах, сверхпроводниках, криостатах, шуме, квантовой химии и реальных ограничениях квантовых компьютеров.
В обычном компьютере мы почти не думаем о том, что бит может случайно испортиться. Да, ошибки бывают, но современная электроника и коды коррекции сделали цифровые вычисления надёжными. В квантовых компьютерах ситуация сложнее: кубиты хрупкие, операции неидеальны, а само измерение разрушает квантовое состояние.
Поэтому главный вопрос сегодня не только «сколько кубитов», но и «насколько хорошо они работают».
Что значит NISQ
Современную эпоху квантовых вычислений часто называют NISQ. Расшифровка: noisy intermediate-scale quantum — шумящие квантовые устройства промежуточного масштаба. Термин предложил физик Джон Прескилл.
«Промежуточный масштаб» означает, что устройств уже достаточно много, чтобы запускать интересные эксперименты: десятки, сотни, иногда больше физических кубитов. «Шумящие» означает, что операции несовершенны, а полноценной коррекции квантовых ошибок ещё нет.
Это не провал. Это нормальный этап развития технологии. Но он сильно ограничивает обещания: NISQ-компьютер может быть полезным исследовательским инструментом, но он ещё не является универсальной отказоустойчивой машиной для больших алгоритмов.
Откуда берутся ошибки
У кубита есть враги. Первый — температура. Если система недостаточно холодная, тепловые возбуждения мешают различать нужные энергетические уровни. Поэтому сверхпроводниковые кубиты охлаждают до милликельвинов.
Второй враг — электромагнитные шумы. Кабели, управляющие импульсы, внешние поля, наводки и считывающая электроника могут вносить ошибки.
Третий — материалы. В подложке, изоляторах и интерфейсах могут появляться дефекты, которые ведут себя как паразитные двухуровневые системы. Иногда они случайно резонируют с кубитом и портят его состояние.
Четвёртый — утечка за пределы вычислительного подпространства. Идеальный кубит — это два уровня: 0 и 1. Реальная физическая система имеет и более высокие уровни. Если управляющий импульс недостаточно точен, часть состояния может уйти туда, где алгоритм её уже не контролирует.
Почему 99,9% точности всё ещё мало
На слух 99,9% звучит почти идеально. Но квантовый алгоритм состоит из множества операций. Если каждая операция чуть-чуть ошибается, ошибки накапливаются. Особенно трудно выполнять двухкубитные операции: именно они создают запутанность, но обычно они сложнее и менее точны, чем операции над одним кубитом.
Для больших практических алгоритмов нужна коррекция ошибок. Она кодирует один логический кубит во множество физических кубитов, чтобы обнаруживать и исправлять ошибки, не разрушая квантовую информацию.
Проблема в цене. Для одного полезного логического кубита могут понадобиться многие физические кубиты. Поэтому новость «у процессора 1000 физических кубитов» ещё не означает, что у него есть 1000 надёжных логических кубитов.
Почему масштабирование так сложно
Допустим, инженеры научились делать хороший кубит. Теперь нужно сделать сотни и тысячи таких кубитов, связать их, управлять каждым, считывать результат и не перегреть систему.
Каждый новый кубит требует линий управления, калибровки и защиты от шумов. Чем больше система, тем сложнее удержать качество. Поэтому гонка идёт не только за количеством кубитов, но и за архитектурой управления, материалами, криоэлектроникой, топологией связей и алгоритмами, устойчивыми к шуму.
В выпуске Марина Петракова точно формулирует эту развилку: нельзя просто гнаться за числом кубитов и забывать о достоверности операций. Если вычислитель выдаёт результат с плохой точностью, это не полезная машина.
Почему это всё равно прогресс
Скептик может сказать: если квантовые компьютеры так ошибаются, зачем они нужны? Но в истории вычислительной техники ранние машины тоже были огромными, дорогими и нестабильными. Это не гарантия успеха, но нормальный вид ранней технологии.
Самое важное сейчас — понять, какие ошибки принципиальны, какие можно уменьшить инженерно, какие исправить коррекцией, а какие обойти алгоритмически. Именно поэтому рядом работают физики, инженеры, технологи, математики и программисты.
Квантовый компьютер будущего — это не просто «много кубитов». Это много качественных кубитов, управляемых с высокой точностью, объединённых в архитектуру, где ошибки можно обнаруживать и исправлять.
Как вы думаете, что важнее в новостях про квантовые процессоры: число кубитов или точность операций?
Съёмка выпуска проходила в студии CastPoint.ru. Благодарим за предоставленное помещение.