Квантовые вычисления: технологическая гонка, в которой Европа может победить?

В лаборатории на западной окраине Парижа техник по имени Реми с помощью гаечного ключа настраивает устройство, представляющее собой каскад золотисто-серебристых цилиндров, спускающихся сквозь облако проводов. Это криостат, устройство, которое охлаждает настолько сильно, что замедляет активность даже на молекулярном уровне.

В нижнем цилиндре температура составляет минус 273 градуса по Цельсию. Это температура, при которой даже мельчайшие частицы останавливаются. Изоляция от внешнего мира полная.

В этот цилиндр встроен небольшой корпус, тоже золотисто-серебристого цвета, а в нём – чип.

Этот чип – крошечная коробочка, внутри которой происходит явление, открытое Альбертом Эйнштейном и другими физиками, бросающее вызов законам механики мира, в котором мы живём: квантовый переход, когда частицы меняют уровни энергии способами, которые являются предсказуемыми, воспроизводимыми и, с точки зрения классической физики, невозможными.

Вокруг нас стоит несколько вертикальных цилиндров, похожих на нагреватели воды разных размеров. Все они содержат криостаты, подобные тому, с которым возится Реми. Это квантовые компьютеры.

Тео Пероннен (слева) и Рафаэль Леканн, соучредители Alice & Bob / Фото Alice & Bob

Это французская компания по производству квантовых компьютеров Alice & Bob. В ближайшие несколько месяцев она также откроет гораздо более крупный объект к северу от Парижа стоимостью 50 млн долларов, с испытательным и эксплуатационным центром для тестирования всё более крупных машин, а также стерильным помещением, где будет изготавливать собственные чипы.

Название Alice & Bob больше подходит компании по производству мороженого, но команда из 200 человек в возрасте от 20 до 30 лет, работающих в этом стартапе, занимается очень серьёзной наукой и, по словам соучредителя и генерального директора Тео Пероннена, вскоре займётся и серьёзным бизнесом.

"Раньше физики сомневались, что можно использовать странное поведение частиц в квантовой механике. Теперь они больше не сомневаются, – говорит он. – Теперь мы знаем, что это работает, и через несколько лет у нас будут надёжные квантовые компьютеры, которые мы сможем подключить к высокопроизводительным компьютерам (HPC) в дата-центрах, чтобы экспоненциально увеличить их вычислительную мощность".

"Дело не в том, чтобы быть быстрее. Дело в том, чтобы быть настолько быстрее, что это изменит представление о том, что вообще возможно. Мы сможем решать задачи, которые абсолютно неразрешимы с помощью классических компьютеров", – говорит Пероннен.

Например, это сделает медицину точной наукой, утверждает Пероннен, и в этом заявлении лишь доля шутки: "На данный момент разработка новых лекарств – это в основном метод проб и ошибок".

Что такое темпоральный кристалл и как он переворачивает наши представления о законах физики

С помощью квантовых компьютеров можно будет проводить масштабные вычисления, чтобы увидеть, как разные молекулы взаимодействуют друг с другом, и выяснить, что и как работает и какие побочные эффекты при этом возникают.

Выгода для компании, которая первой создаст надёжный квантовый компьютер в промышленных масштабах, потенциально огромна. По прогнозам Пероннена, в такой ситуации "победитель получает всё", как это было с классическими компьютерами и IBM. И, по его мнению, есть реальные шансы, что именно его или другая французская компания станет этим победителем.

Самое большое препятствие на пути квантовых вычислений – это хрупкость приборов.

Обычные компьютеры для выполнения вычислений используют электрический ток в кремниевых чипах.

В квантовых компьютерах это делается с помощью кубитов, в каждом из которых манипулируют квантовыми свойствами отдельного электрона или фотона.

Главная проблема для исследователей заключается в том, что кубиты теряют свои хрупкие квантовые состояния (декогеренция) из-за шума и помех из внешнего мира.

Как объясняет Пероннин, большинство учёных пытаются бороться с этим, увеличивая количество кубитов: тысячи физических узлов составляют один "логический", что позволяет исправлять ошибки в вычислениях. Он называет это "голос большинства". Недостаток такого подхода – огромные размеры и цена устройства.

Компания Alice & Bob пошла по другому пути. Их "кошачьи кубиты" (названные в честь знаменитого "кота Шрёдингера") разработаны так, чтобы самостоятельно исправлять некоторые ошибки.

"Это заложено в самой конструкции, – говорит Пероннен. – Мы нашли способ непрерывно компенсировать потери".

В теории это значительно снизит сложность процесса и затраты по сравнению с конкурентами, которые используют избыточное количество кубитов.

Компания Alice & Bob создала квантовый вычислительный чип под названием Boson / Фото Alice & Bob

Пероннин отмечает, что крупные игроки в сфере квантовых компьютеров приходят к аналогичным моделям: Google приобрёл компанию Atlantic Quantum, а другие компании разрабатывают аналоги "кошачьих кубитов". По словам Пероннина, Alice & Bob теперь стоит плечом к плечу со своими американскими конкурентами.

Alice & Bob – один из "национальных чемпионов" Франции в рамках программы PROQCIMA, правительственной инициативы по разработке практически применимого квантового компьютера.

"Ошеломляюще мощный": Google представил новый чип для квантовых компьютеров

Во Франции этим занимается не только Alice & Bob. Французские компании в совокупности представляют полный спектр типов кубитов – все пути, которые, как надеются физики, приведут к созданию первого надёжного и сверхмощного квантового компьютера.

"Если посмотреть на мир квантовых вычислений во Франции, то у нас сейчас шесть компаний, ещё две находятся в стадии создания", – говорит Оливье Эзратти, учёный, чей 1500-страничный сборник "Понимание квантовых технологий" (Understanding Quantum Technologies) пользуется популярностью и бесплатно доступен в интернете.

Он отмечает, что есть ещё четыре важные французские компании, занимающиеся квантовыми вычислениями: Pasqal, Quandela, Quobly и C12.

Эзратти отмечает, что у них есть одно общее преимущество. "Большинство из них находятся в очень выгодном положении с точки зрения стоимости оборудования и энергозатрат", – говорит он.

С Alice & Bob конкурируют другие компании, в том числе IBM / Фото Getty Images

Среди других европейских стран крупнейший игрок на этом поле – финская компания IQM, в феврале объявившая, что станет первой европейской квантовой компанией, зарегистрированной на бирже.

В Великобритании есть две заметные компании: Oxford Quantum Circuits (OQM) и создатели квантовых операционных систем Riverlane.

IQM и Pasqal уже имеют квантовые компьютеры, которые используются в системах высокопроизводительных вычислений (HPC) по всей Европе. Некоторые французские фирмы, например, производитель промышленных продуктов Air Liquide, уже применяют квантовые компьютеры.

Британский стартап создал маленький квантовый компьютер. Почему это может стать технологическим прорывом?

Вскоре это станет реальностью и для Alice & Bob, хотя их машины ещё не готовы дать результаты, которые в теории обещают квантовые вычисления.

Но их выход на широкий рынок означает, что можно подготовить сообщество специалистов, которые будут готовы использовать настоящие квантовые компьютеры, когда это произойдёт.

"На данный момент наша машина не мощнее вашего телефона, – говорит Пероннен. – Мы находимся на плоской части экспоненциальной кривой".

В квантовой гонке у Франции есть несколько сильных сторон.

В стране одни из лучших в мире программ по физике в таких учебных заведениях, как Политехническая школа и Высшая нормальная школа.

"За последние несколько лет уже три Нобелевские премии достались французским физикам!" – говорит Пероннен. По его словам, это имеет решающее значение, поскольку конкуренты находятся в практически равных условиях: "В конечном счёте это математическая задача. Здесь нет несправедливого преимущества со стороны устаревших технологий, таких как классические вычисления или что-то в этом роде, поэтому нет причин стесняться".

Шаг в будущее: компания IBM представила новый чип для квантового компьютера

Главная задача, по словам Пероннена, – собрать капитал. "Но Европа определённо не бедна, и это технологическая возможность для Европы немного перетасовать карты с точки зрения автономной стратегии и нашей способности иметь ведущих игроков в экономике", – говорит он.

Есть стойкое ощущение, что, хотя Европа и упустила свой шанс во многих технологических революциях последних лет, по крайней мере, когда дело доходило до перехода от исследований к промышленному этапу, на этот раз всё может сложиться иначе.

"У нас есть всё необходимое, чтобы победить, – считает Пероннин. – Дело в том, что нужно поверить в себя. Мы, французы, всегда немного насмехаемся над чрезмерной самоуверенностью американцев, но здесь нам нужно быть немного более оптимистичными. Иначе ничего не произойдёт, и это было бы обидно, потому что на данный момент мы находимся в гораздо лучшем положении, чем может показаться".