Останні прориви у квантових обчисленнях 2024: Що дійсно змінилося і чому це важливо

Існує версія історії квантових обчислень, яка повторюється щороку: захоплююча прес-реліз, число настільки велике, що воно руйнує розуміння, і потім тиша. 2024 рік відчувався інакше для дослідників, які справді слідкують за цією галуззю. Не через одне оголошення, а через три окремі прориви, що сталися протягом кількох місяців — кожен від різної компанії, яка використовує принципово різний підхід до однієї й тієї ж проблеми. Коли це відбувається одночасно на різних апаратних архітектурах, це зазвичай ознака того, що галузь рухається вперед, а не просто крутиться на місці.

Ось що насправді змінилося у 2024 році, чому кожен з цих проривів важливий і які чесні застереження слід враховувати.

Google Willow: чіп, який змінив розмову про корекцію помилок

Найбільша новина року з’явилася 9 грудня 2024 року. Команда квантового ШІ Google представила Willow — 105-квітний надпровідний процесор, створений на їхньому спеціалізованому виробничому підприємстві в Каліфорнії, в UC Santa Barbara — і те, що він продемонстрував, було не просто швидший чіп. Це було підтвердження чогось, що галузь намагалася довести майже три десятиліття.

Основне досягнення: коли Google додавала більше квантових бітів до Willow, рівень помилок знижувався, а не зростав. Це звучить просто. Насправді — ні. Протягом років головним розчаруванням у квантових обчисленнях було те, що більше квантових бітів означало більше шуму, більшу нестабільність, каскад помилок у розрахунках. Можна було побудувати більшу систему, але вона була б менш надійною. Willow зламав цю залежність. Використовуючи свою архітектуру корекції помилок, чіп продемонстрував так зване «нижче за поріг» — стан, коли масштабування дійсно допомагає, а не шкодить.

Бенчмарк, який Google провів поруч із цим оголошенням, став миттєво відомим: Willow виконав випадкове зразкове обчислення за менше ніж п’ять хвилин, тоді як найшвидший класичний суперкомп’ютер сьогодні потребує 10 секстильйонів років — це 10²⁵ років, приблизно мільйон разів більше за сучасний вік Всесвіту. Як сказав Хартмут Невен, засновник Google Quantum AI у 2012 році: «Ми вже перейшли точку беззбитковості». Повна технічна деталь опублікована у рецензованому журналі Nature, що важливо: попередні заяви про квантовий перевершення викликали серйозну критику, і наявність методології для її перевірки — це суттєва різниця.

Офіційне оголошення та технічна документація доступні безпосередньо на блозі Google Quantum AI.

Чесне застереження: тест бенчмарку Willow все ще вузький. Випадкове зразкове обчислення доводить, що певні обчислення класично неможливі для цього чіпа — це не означає, що Willow наразі може запускати застосунки для відкриття ліків або моделювання клімату, які зазвичай згадують, коли йдеться про квантові обчислення. Цінність Willow архітектурна: вона показує, що масштабоване квантове обчислення з корекцією помилок уже не є теоретичним обмеженням. Це продемонстрований інженерний шлях.

Microsoft і Quantinuum: досягнення логічних квантових бітів

Вісім місяців до оголошення Willow Microsoft і Quantinuum опублікували результат у квітні 2024 року, який отримав менше загальної уваги, але, можливо, більше — від дослідників. Вони продемонстрували логічні квантові біти з рівнями помилок у 800 разів нижчими за відповідні фізичні біти, з яких вони були побудовані — використовуючи те, що Microsoft назвав «віртуалізацією квантових бітів».

Різниця між фізичними та логічними квантовими бітами — це справжня межа у квантових обчисленнях. Фізичні біти — це апаратні елементи: вони шумні, чутливі до температури, вібрацій, електромагнітних завад і часу. Логічні біти створюються шляхом об’єднання кількох фізичних у структуру, яка кодує інформацію з резервом, щоб помилки можна було виявляти і виправляти без руйнування обчислення. Завжди було викликом те, що для побудови логічних бітів потрібно так багато фізичних, що накладні витрати робили весь процес непрактичним. Зменшення рівня помилок у 800 разів означає, що логічні біти починають виглядати реалістичними, а не лише теоретичними.

У листопаді 2024 року Microsoft розширила цю роботу. Співпрацюючи з Atom Computing, вони успішно створили та заплутали 24 логічні біти, використовуючи ультра-холодні нейтральні атоми ytterbium — встановивши новий рекорд і зробивши це з вражаючою точністю керування: 99,963% для однобітових операцій і 99,56% для двобітових заплутувань. Метод нейтральних атомів використовує лазерне охолодження атомів, які тримаються на місці за допомогою оптичних щипців — зовсім інша апаратна архітектура, ніж у надпровідних транзисторів Google. Це важливо, оскільки означає, що кілька життєздатних шляхів до відмовостійкого квантового обчислення розвиваються одночасно, а не вся галузь ставить все на один підхід.

У грудні 2024 року Quantinuum зробила ще один крок — заплутала 50 логічних бітів — ще один рекорд і демонстрація того, що ера логічних бітів — не майбутній рубіж, а активний теперішній час.

IBM Heron R2: прорив у інженерній дисципліні

Google Willow і логічні біти Microsoft привернули більше уваги у 2024 році. Вклад IBM був тихішим, але не менш важливим для тих, хто думає, звідки справді беруться практичні квантові обчислення.

У листопаді 2024 року IBM представила процесор Heron R2 — 156 квантових бітів, друге покоління архітектури Heron, побудоване з топологією «важкий гексагональний ланцюг». Кількість головних квантових бітів менш важлива, ніж те, що сталося з продуктивністю. Рівень помилок двобітових гейтів знизився до 8×10⁻⁴. Система тепер може виконувати квантові схеми з до 5000 двобітових операцій. І навантаження, що раніше займало понад 120 годин на найкращому квантовому обладнанні IBM, тепер виконується приблизно за 2,4 години — приблизно у 50 разів швидше.

Раніше у 2024 році IBM також завершила свій самостійний «Виклик 100×100», запустивши схему з 100 квантовими бітами і глибиною 100 за кілька годин. Це «користувацьке» обчислення — таке, що не можна зробити силою класичних обчислень — і його завершення є свідченням поступу, який IBM будувала з репутацією на поступовому, обережному прогресі.

Ще більш технічно значущим результатом 2024 року стала стаття у Nature, яка описує новий код корекції помилок під назвою «двовимірний велосипед» qLDPC. Звичайна квантова корекція за допомогою поверхневих кодів потребує приблизно 3000 фізичних квантових бітів для кодування одного надійного логічного біта. Новий код IBM досягає схожого рівня пригнічення помилок, використовуючи лише 144 даних і 144 допоміжних біти — зменшення накладних витрат у 10 разів. Таке підвищення ефективності робить відмовостійке квантове обчислення менш далеким і більш інженерною проблемою із чітким шляхом розв’язання.

Повна дорожня карта обладнання IBM і поточні характеристики процесорів доступні на ibm.com/quantum.

NIST і пост-квантова криптографія: прорив 2024 року, про який не говорять

Четвертий великий прорив 2024 року не стосувався квантового процесора. У серпні 2024 року Національний інститут стандартів і технологій США (NIST) офіційно опублікував перші стандарти пост-квантової криптографії — алгоритми, здатні протистояти атакам майбутніх квантових комп’ютерів. Два з трьох алгоритмів (ML-KEM і ML-DSA) були розроблені криптографами IBM Research у Цюриху.

Чому це має значення у статті про прориви у квантових обчисленнях? Тому що це перше конкретне визнання глобального стандартного органу, що квантові комп’ютери, здатні зламати сучасне шифрування, вже не є суто теоретичними. Стандарти існують тому, що уряди та підприємства мають почати перехід уже зараз, перш ніж з’являться квантові комп’ютери, здатні руйнувати криптографічний захист. Термін переходу від публікації стандартів до широкого впровадження зазвичай становить десятиліття і більше. Рішення NIST у 2024 році фактично запустило цей процес.

Для блокчейну та інфраструктури цифрових активів це безпосередньо актуально. Поточні асиметричні схеми шифрування, що захищають гаманці, транзакції та смарт-контракти, з часом потрібно буде замінити на квантово-стійкі альтернативи. Огляд BlockchainReporter щодо розвитку блокчейну і криптографії відстежує цей перехід у реальному часі.

Для детального аналізу впливу квантових досягнень на безпеку криптовалют дивіться аналіз BlockchainReporter про вплив квантових обчислень на криптовалюти.

Чесна оцінка: що довів і чого не довів 2024 рік

Легко зробити висновок, що квантові обчислення «наступили». Це не зовсім так, і дослідники, які працювали над цим, були цілком відкриті щодо цього.

Google Willow ще не виконує застосунки, які обіцяє довгостроковий план — відкриття ліків, матеріалознавство, фінансову оптимізацію. Він продемонстрував корекцію помилок нижче за поріг і бенчмарк. Різниця між цим і комерційно корисним обчисленням ще значна, потрібно набагато нижчі рівні помилок.

Щоб зрозуміти, як криптоспільнота справді реагує на ці події, корисно подивитися на огляд BlockchainReporter щодо думок експертів про квантові загрози для Bitcoin, що дає уявлення про різницю між теоретичним ризиком і реальною ситуацією.

50 логічних бітів Quantinuum можуть виявляти помилки, але повна корекція — (виявлення і виправлення без руйнування квантового стану) — залишається складною проблемою, над якою ще працюють. Рекорд Atom Computing з використанням нейтральних атомів вимагає надзвичайно складної лазерної інфраструктури, яка ще не масштабована.

IBM Heron R2 — найпрактичніше впроваджена система 2024 року — вона працює у квантовому хмарі IBM, клієнти вже запускають на ній навантаження, і бенчмарк 100×100 демонструє корисний масштаб. Але перший повністю коректований системний процесор IBM — Starling — очікується не раніше 2029 року.

Що довів 2024 рік — важливіше, ніж те, чого він не довів. Галузь перестала рухатися лише в одному напрямку і почала прогресувати одночасно у всіх — апаратне забезпечення, корекція помилок, логічні біти, ефективність програмного забезпечення і криптографічні стандарти. Як дослідницька спільнота, вона почала діяти швидше як інженерна галузь із чіткими етапами, які можна незалежно перевірити і відтворити.

Для читачів BlockchainReporter, що слідкують за конвергенцією квантових обчислень і ШІ, яка змінює фінансову інфраструктуру, останні новини у розділі блокчейну та нових технологій висвітлюють, як ці зміни впливають на децентралізовані системи і безпеку цифрових активів у реальному часі.

Що буде далі: траєкторія 2025–2026 років

Прориви 2024 року окреслили конкретний набір наступних кроків, над якими галузь зараз активно працює.

Наступна ціль Google після Willow — досягти відмовостійкої роботи — перейти від корекції помилок нижче за поріг до повної корекції, коли система зможе довільно довго виконувати надійні обчислення. Алгоритм Quantum Echoes, опублікований на процесорі Willow у 2025 році, продемонстрував першу в історії підтверджену квантову перевагу для реальної задачі, зробивши крок за межі бенчмарків до застосунків із практичною цінністю.

Дорожня карта Microsoft передбачає 50–100 заплутаних логічних бітів у комерційних впровадженнях протягом найближчих років — достатньо, за їхніми оцінками, для «справжніх проривів у матеріалознавстві або хімії». Їхній чип Majorana 1, представлений у 2025 році і побудований на екзотичних топологічних квантових бітах, стане третім архітектурним підходом поряд із надпровідними і нейтральними атомами.

IBM планує до 2029 року створити процесор Starling із 200 коректованими квантовими біта і 100 мільйонами гейтів, використовуючи схему корекції помилок Gross — архітектуру, яка, за їхньою думкою, нарешті з’єднає квантову корисність із квантовою перевагою для комерційно цінних задач.

Траєкторія з 2024 року рухається у одному напрямку: питання вже не в тому, чи можливо масштабне відмовостійке квантове обчислення. Прориви 2024 року довели, що це можливо для кількох апаратних підходів. Тепер питання — який з них масштабується швидше і наскільки швидко з’являться застосунки, що виправдовують інвестиції.

Ця стаття є виключно для інформаційних і освітніх цілей. Вона не є фінансовою або інвестиційною порадою.