Миллион кубитов? Не нужно. Хватит 20 тысяч — и квантовая эра начнётся раньше

Разработчики квантовых компьютеров давно борются с одной и той же проблемой: чтобы получить один надёжный логический кубит, приходится собирать сотни или тысячи физических. Теперь у физиков появился способ резко сократить этот разрыв. Команда из Калифорнийского технологического института вместе со стартапом Oratomic предложила архитектуру, которая может снизить требования к масштабам квантовых машин на порядок.

Расчёты показывают, что полноценный квантовый компьютер с коррекцией ошибок может обойтись 10-20 тысячами кубитов. Ранее оценки доходили до миллионов. Разница не косметическая. При старых подходах сама инфраструктура становилась главным барьером: слишком много элементов, слишком много ошибок, слишком сложная сборка.

Кубиты нестабильны по своей природе, поэтому вычисления постоянно приходится защищать от сбоев. Классическая схема строится вокруг избыточности: на один логический кубит уходит примерно тысяча физических. Новый подход меняет логику работы с избыточностью и позволяет использовать одни и те же ресурсы эффективнее.

Авторы опираются на платформу с нейтральными атомами. В такой системе отдельные атомы играют роль кубитов, а лазерные пучки, так называемые оптические пинцеты, удерживают и перемещают их в пространстве. В отличие от многих других архитектур, здесь можно не ограничиваться ближайшими соседями. Атомы можно перемещать на значительные расстояния внутри массива и напрямую связывать друг с другом.

Такая гибкость открывает доступ к так называемым высокоэффективным кодам коррекции ошибок. Один физический кубит в такой схеме может участвовать сразу в нескольких логических. В результате один логический кубит удаётся собрать всего из пяти физических.

Подход опирается не только на теорию. Системы с нейтральными атомами быстро развиваются. В лабораториях уже показывали массивы более чем из 6000 кубитов. Новая архитектура использует именно те свойства таких систем, которые раньше считались просто удобной особенностью, а не фундаментальным преимуществом.

Различие с привычными схемами видно на уровне взаимодействий. В классических подходах, например в поверхностных кодах, кубиты общаются в основном с ближайшими соседями. Такая топология ограничивает способы обработки информации и усложняет масштабирование. В массивах нейтральных атомов связи можно строить на больших расстояниях. Это снимает часть ограничений и позволяет перераспределять нагрузку между кубитами.

С практической точки зрения работа меняет оценку сроков появления полезных квантовых машин. Если требования к числу кубитов действительно удастся снизить, путь от лабораторных установок к рабочим системам заметно сократится. Пока речь идёт о теоретической архитектуре, но она опирается на уже существующие экспериментальные платформы, а не на гипотетические устройства.

Правда, у такого прогресса есть и обратная сторона. Более компактные и эффективные квантовые компьютеры быстрее доберутся до задач, которые сейчас считаются трудными для классических машин. В первую очередь речь идёт о криптографии. Алгоритм Шора позволяет раскладывать большие числа на множители экспоненциально быстрее классических методов, а значит ставит под угрозу широко используемые схемы вроде RSA и криптографии на эллиптических кривых.