Небольшая британская компания разработала алгоритм, который значительно снижает уровень квантовых вычислительных мощностей, необходимых для выполнения расчетов, которые могут проложить путь для разработки новых экзотических материалов.

Ученые из компании Phasecraft вместе с исследователями из Бристольского университета показали, что важная проблема квантовой физики, которую слишком сложно решить на современных суперкомпьютерах, может быть решена квантовыми компьютерами в течение трех лет при нынешних условиях и темпах развития технологии. Это намного раньше, чем прогнозировало большинство экспертов.

Квантовые компьютеры — это машины, которые используют особые свойства квантовой физики для выполнения своих вычислений. Это делает их потенциально более мощными, чем самые быстрые современные суперкомпьютеры.

Многие компании начинают экспериментировать с квантовыми компьютерами, которые предлагаются через интерфейсы облачных вычислений от таких компаний, как IBM, Honeywell и Google, а также ряд стартапов. Но до сих пор большинство предприятий запускали на этих машинах только проекты по проверке концепции, которые еще не достаточно мощны для моделирования многих сложных систем, таких как моделирование взаимодействий на субатомном или молекулярном уровне.

Генеральный директор Google Alphabet Сундар Пичаи с квантовым компьютером

В прошлом году Google заявила, что достигла рубежа под названием «квантовое превосходство», использовав квантовый компьютер для выполнения вычислений, которые обычный компьютер не может выполнить за разумный промежуток времени. На прошлой неделе группа китайских исследователей заявила, что они достигли аналогичного прорыва, используя квантовый компьютер другого типа.

«Детские проблемы»

В обоих случаях конкретные проблемы, которые решали квантовые компьютеры, были тем, что Джон Мортон, соучредитель Phasecraft и профессор квантовой физики в Университетском колледже Лондона, называет «детскими проблемами» — расчеты, сформулированные исключительно для того, чтобы показать, что квантовый компьютер может делать что-то полезное. Обычный суперкомпьютер не может. У них не было проблем с очевидными последствиями для реальных приложений, таких как выяснение того, как создать более эффективные процессы производства удобрений или более совершенные батареи.

Что Phasecraft показывает в рецензируемой статье, опубликованной сегодня в академическом журнале Physical Review B, опубликованный Американским физическим обществом, отличается. Это связано с проблемой, называемой моделью Ферми-Хаббарда, которая описывает поведение класса субатомных частиц, известных как фермионы, — группы, которая включает электроны, — когда они скачут внутри твердого тела. Возможность вычислить эту модель — важный шаг на пути к созданию материалов, которые будут демонстрировать сверхпроводящие свойства без необходимости выдерживать их при ультранизких температурах. Но сделать это для системы с более чем несколькими десятками позиций частиц невозможно для сегодняшних обычных суперкомпьютеров.

Исследователи Phasecraft доказали, что своего рода алгоритм, сочетающий квантовые и классические элементы, можно использовать для решения модели Ферми-Хаббарда для большого твердого тела, используя квантовый компьютер с примерно 8000 вентилей, термин, который относится к количеству логических операций, которые квантовый компьютер может выполнять. Это десятая часть количества квантовых вентилей, которые ранее считались необходимыми для решения модели.

«Их работа предполагает, что схемы с удивительно малой глубиной могут предоставить полезную информацию об этой модели, делая ее более доступной для реалистичного квантового оборудования», — сказал об исследовании Эндрю Чайлдс, компьютерный ученый из Университета Мэриленда.

Существующие квантовые компьютеры уже имеют достаточное количество блоков квантовой обработки, известных как кубиты, для теоретического выполнения такого количества логических операций, но до сих пор ученые не выяснили, как построить схемы такого размера. Эксперимент Google по квантовому превосходству, который он провел на своем 54-кубитном квантовом процессоре Sycamore, использовал схему, состоящую из 430 двухкубитных вентилей и 1113 одиночных кубитных вентилей.

IBM уже объявила о своих планах выпустить квантовый компьютер на 1000 кубитов к 2023 году. С квантовым компьютером такого размера ученые, возможно, смогут построить схему с достаточным количеством вентилей для решения модели Ферми-Хаббарда с использованием этого алгоритма. Phasecraft продемонстрировал. «Мы думаем, что в ближайшие два-три года можно сделать захватывающие вещи», — сказала Эшли Монтанаро, один из соучредителей и директоров Phasecraft, а также исследователь квантовых компьютеров из Бристольского университета.

Инвестиции в проект

Phasecraft, которая сотрудничает с калифорнийским стартапом Rigetti, занимающимся производством квантовых компьютеров, и Google, сосредоточена на работе с компаниями, занимающимися вопросами материаловедения и химической промышленностью, над разработкой квантовых алгоритмов, которые позволят им решать сложные задачи с помощью квантовых компьютеров. Благодаря новым инвестициям общая сумма, которую Phasecraft увеличила как в виде венчурного финансирования, так и в виде грантов на исследования, с момента ее основания в 2018 году, составила 7,4 миллиона долларов. Компания ранее получала финансирование от UCL Technology Fund и Parkwalk Advisors, а также гранты от Innovate UK.

Стартап, в котором в настоящее время работает около 10 человек, также объявил в четверг, что получил 5 миллионов долларов начального финансирования в рамках раунда финансирования, проводимого лондонской венчурной фирмой LocalGlobe при участии Episode 1, другой лондонской венчурной фирмы, специализирующейся на ранней стадии финансирования.

По материалам: Fortune