PsiQuantum готовит гигантский квантовый компьютер на фотонах

PsiQuantum, компания, основанная в 2016 году четырьмя физиками из британских университетов: Терри Рудольфом, Марком Томпсоном, Питом Шэдболтом и Джереми О'Брайеном. Обычные компьютерные биты могут быть только 0 или 1, а квантовые биты (кубиты) способны находиться сразу в нескольких состояниях, в теории это позволяет собрать компьютер, которому по силам задачи, недоступные обычным машинам. Но даже лучшие сегодняшние квантовые прототипы слишком малы и подвержены ошибкам, чтобы приносить практическую пользу. PsiQuantum намерена стать первой компанией, которая построит не миниатюрный экспериментальный образец, а крупную и по-настоящему полезную квантовую машину. Компьютер, который компания описывает, пока не существует: его должны разместить в зале, похожем одновременно на дата-центр и фабрику мороженого, около 100 стальных шкафов высотой чуть меньше двух метров, охлаждаемых жидким гелием до температуры в несколько градусов выше абсолютного нуля. Внутри тысячи частиц света будут проходить через лабиринт оптических переключателей и светоделителей, а точное отслеживание каждого фотона должно помочь решать задачи, на которые обычным компьютерам потребовались бы миллионы лет.

Мысль о том, что квантовые системы правильнее моделировать другими квантовыми системами, физик Ричард Фейнман впервые высказал в 1981 году, а в 1980-х её развивали Дэвид Дойч и другие. Идея актуальна, потому что многое в современной науке остаётся неточным: нельзя надёжно предсказать, какой литий-ионный аккумулятор загорится или как быстро проржавеет деталь самолёта, за такими явлениями стоят законы квантовой механики, которые современные компьютеры способны считать лишь приближённо. Один из практических примеров приводит вице-президент PsiQuantum по квантовым приложениям Филипп Эрнст: расчёт того, как ферменты цитохрома P450 в организме человека разрушают конкретное лекарство. Сейчас такая оценка для одного препарата может занимать больше 10 лет, а PsiQuantum рассчитывает свести её к четырём минутам, с этим знанием фармкомпании смогут точнее и быстрее создавать эффективные лекарства.

У PsiQuantum необычно много и инвестиций, и внимания сразу по двум причинам: это одна из немногих компаний, которая прямо целится в крупную полезную машину, и при этом она уже работает с крупным производителем чипов, чтобы делать свои системы на существующих полупроводниковых фабриках. В прошлом году компания привлекла $1 млрд инвестиций и заложила площадку в Чикаго совместно с местными властями; вторую площадку строят в Австралии, и, по обещаниям компании, физически (hardware-ready) она будет готова в 2027 году. PsiQuantum, одна из двух компаний, наряду с Microsoft, дошедших до третьего, самого продвинутого этапа масштабной государственной программы оценки перспективных квантовых технологий. В мае компания также объявила, что получит $100 млн по программе CHIPS Act (господдержка полупроводниковой отрасли США) и потратит часть этих денег на детекторы одиночных фотонов.

Терри Рудольф родился в Малави и узнал, что приходится внуком физику Эрвину Шрёдингеру, только после получения своего первого диплома по физике; впоследствии он самостоятельно издал книгу о квантовых вычислениях для подростков. Около 2014 года Рудольф и его будущие сооснователи убедились, что квантовые эффекты, которые они изучали теоретически, реализуемы и в настоящей машине; они ушли из академии и разделили задачи, Рудольф занимался теорией, Марк Томпсон, инженерией, Пит Шэдболт, масштабированием технологии, а Джереми О'Брайен, стратегией и поиском инвесторов. О'Брайен занимал пост генерального директора до февраля, затем его сменил Виктор Пенг, ветеран полупроводниковой отрасли.

В качестве кубитов PsiQuantum выбрала фотоны, частицы света, тогда как Google и IBM делают ставку на сверхпроводящие кубиты (сверхпроводящие цепи из алюминия и других металлов), а Intel, на электроны. У фотонов есть преимущество: они способны долго сохранять квантовое состояние, по словам Рудольфа, фотоны реликтового излучения Вселенной делают это уже миллиарды лет. Но фотоны быстро движутся, легко рассеиваются, а главное, обычно пролетают друг сквозь друга вместо того, чтобы взаимодействовать, а для квантовых вычислений кубиты как раз должны влиять друг на друга. Долгое время это считалось непреодолимым недостатком света, пока в 2001 году исследователи из Национальной лаборатории Лос-Аламос и Университета Квинсленда не нашли лазейку: они показали, что взаимодействие между фотонами можно фактически имитировать, пропуская частицы света через сеть светоделителей и детекторов. Вокруг этой идеи и создали PsiQuantum. Первые расчёты показывали, что для такой схемы потребовался бы компьютер размером с Калифорнию; Мерседес Химено-Сеговия, аспирантка Рудольфа в начале 2010-х (в прошлом чуть не ставшая профессиональной скрипачкой), придумала способ радикально уменьшить машину.

Сами вычисления устроены так: лазеры создают фотоны, которые затем «запутывают», переводят в состояние, при котором частицы теряют индивидуальные характеристики и делят одно общее квантовое состояние; далее фотоны проводят через лабиринт вентилей, выполняющих вычисления, а в конце считывают их квантовое состояние, попутно отслеживая и исправляя неизбежные ошибки. Повторить эту цепочку без сбоев миллионы раз подряд, задача не столько инженерная, сколько похожая на глухую стену; не менее тяжело выстроить и всю цепочку поставок, включая производство материалов с нужными свойствами.

Сейчас шкафы PsiQuantum работают при температуре 2 К (-456 °F), а цель, научиться работать чуть теплее, около -452 °F. У большинства конкурирующих подходов до сверхпроводящих температур приходится охлаждать всю машину целиком, из-за чего заметная часть расходов уходит на охлаждение. Фотонному же компьютеру настолько холодным нужен только один узел, детекторы, которые в конце измеряют одиночные фотоны, и для них допустима чуть более высокая температура. Раньше PsiQuantum откачивала жидкий гелий у Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Менло-Парке (Калифорния); сейчас у компании своя система охлаждения на тестовой площадке в Милпитасе (Калифорния), а более крупную установку строят на производственной площадке в Австралии. Системы охлаждения, одна из крупнейших статей капитальных расходов квантовых компаний, и они заберут значительную часть миллиардного раунда PsiQuantum.

Ещё один узкий момент, материалы. PsiQuantum использует голубоватый кристалл титаната бария: он быстро и надёжно направляет частицы света при минимальном электрическом воздействии, не тревожа хрупкие фотоны. Но у титаната бария сложная структура, из-за которой его производство трудоёмко, а к моменту основания компании материал просто не производился в нужных масштабах. PsiQuantum, по словам Рудольфа, приняла мучительное решение, производить кристалл самостоятельно, что потребовало крупных вложений; на одном из предприятий в Сан-Хосе базовые элементы загружают в аппараты, похожие на гигантские скороварки, где их нагревают, испаряют и кристаллизуют.

Оценить, действительно ли PsiQuantum сделает то, что обещает, гораздо сложнее, чем, например, судить о производителе лекарств по результатам клинических испытаний: прогресс в квантовых вычислениях идёт постепенно, многое непрозрачно, и со стороны это почти невозможно перепроверить. Тем не менее компания приближается к своему моменту истины, когда годы закрытой работы и сотни миллионов инвестиций либо выльются в полезный квантовый компьютер, либо не оправдают ожиданий, и узнать это, по оценке издания, можно уже в следующем году.

Ключевые факты

• PsiQuantum, основанная в 2016 году четырьмя физиками из Великобритании, делает ставку на фотоны (частицы света) как кубиты, в отличие от Google и IBM (сверхпроводящие кубиты) и Intel (электроны).
• В прошлом году компания привлекла $1 млрд инвестиций, строит площадку в Чикаго с местными властями и вторую, в Австралии, которая должна быть физически готова (hardware-ready) в 2027 году.
• PsiQuantum, одна из двух компаний вместе с Microsoft, дошедших до третьего этапа государственной программы оценки квантовых технологий; в мае компания также получила $100 млн по программе CHIPS Act на детекторы одиночных фотонов.
• Вице-президент по квантовым приложениям Филипп Эрнст: расчёт того, как фермент цитохрома P450 разрушает лекарство, сейчас занимает больше 10 лет, а PsiQuantum рассчитывает свести его к четырём минутам.
• Технология опирается на открытие 2001 года учёных из Национальной лаборатории Лос-Аламос и Университета Квинсленда о том, как имитировать взаимодействие фотонов через светоделители и детекторы; кабинеты компании охлаждают до 2 К (-456 °F).

Почему это важно

Квантовые компьютеры обещают напрямую моделировать законы квантовой механики, а значит, физику и химию реальных материалов, лекарств и процессов, которые сегодня наука описывает лишь приближённо. PsiQuantum, одна из немногих компаний, которая целится не в очередной маленький и подверженный ошибкам прототип, а сразу в крупную полезную машину, и при этом уже строит реальную инфраструктуру: площадки, системы охлаждения, собственное производство материалов, партнёрство с крупным производителем чипов. Это отличает историю PsiQuantum от рутинных анонсов, здесь описан не готовый продукт, а попытка одной из немногих команд довести квантовые вычисления от теории до практически полезного масштаба.

Кому это важно

В первую очередь, фармацевтическим и химическим компаниям, которым квантовые симуляции могут ускорить разработку лекарств и материалов (пример из статьи, расчёт поведения фермента цитохрома P450). Также, производителям чипов и государственным программам, которые уже вложились в PsiQuantum: компания работает с крупным полупроводниковым производителем, прошла в госпрограмму оценки квантовых технологий США и получает финансирование по CHIPS Act. И конкурентам по отрасли, Google, IBM, Microsoft, Intel и другим командам, которые делают ставку на другие типы кубитов: успех или провал PsiQuantum станет сигналом о том, какой подход к квантовым вычислениям выстрелит первым.

Как это применить

Материал не описывает готовый продукт, который можно купить или внедрить сегодня, вычислительная машина PsiQuantum, по признанию самой статьи, пока не существует. Практический вывод скорее в сроках, за которыми стоит следить: австралийская площадка должна быть физически готова (hardware-ready) в 2027 году, а понять, оправдываются ли обещания компании, по оценке издания, можно будет уже в следующем году. Для фармацевтических и материаловедческих компаний, а также для инвесторов в квантовые технологии это ориентир, когда возвращаться к фотонным квантовым вычислениям PsiQuantum.

Можно ли доверять

У истории есть сильные основания для доверия: журналист MIT Technology Review лично побывал на площадках PsiQuantum, у Национальной ускорительной лаборатории SLAC и на производстве кристаллов титаната бария в Сан-Хосе, где обсуждал детали с сооснователем Питом Шэдболтом. Компания подкрепляет заявления реальными деньгами и партнёрами: $1 млрд инвестиций, работа с крупным производителем чипов, прохождение строгой государственной оценки наравне с Microsoft. В то же время сама статья честно оговаривает: описанный компьютер пока не существует, прогресс в квантовых вычислениях постепенный, непрозрачный и труднопроверяемый со стороны, а даже лучшие сегодняшние квантовые прототипы слишком малы и подвержены ошибкам, чтобы приносить реальную пользу. Заявление про «четыре минуты вместо десяти лет», это цель компании, а не подтверждённый результат.

Риски и подводные камни

Главный риск, инженерный: фотоны почти не взаимодействуют друг с другом, и добиваться нужного результата приходится обходными путями через светоделители и детекторы, а повторить всю цепочку без сбоев миллионы раз подряд, это, по сути, скорее глухая стена, чем обычная инженерная задача. Ключевой материал, титанат бария, не производился в промышленных масштабах, и PsiQuantum пришлось строить собственное производство, это огромные капитальные вложения, как и системы охлаждения на жидком гелии. В феврале сменился генеральный директор: Джереми О'Брайена, который отвечал за стратегию и привлечение инвесторов, заменил ветеран полупроводниковой отрасли Виктор Пенг (статья не объясняет причину). Наконец, PsiQuantum конкурирует с не менее амбициозными и хорошо финансируемыми командами (Google, IBM, Microsoft, Intel), которые делают ставку на другие технологии, а понять, кто окажется прав, по признанию самой статьи, получится ещё нескоро, возможно, не раньше следующего года.

«Не думаю, что это случайность, то, что Промышленная революция совпала с нашей способностью рассчитывать и моделировать законы ньютоновской механики, законы термодинамики, законы классического электромагнетизма. Когда у нас появляется больше возможностей считать, моделировать и понимать происходящее, мы создаём удивительные машины, которые из этого рождаются.»

— Терри Рудольф, сооснователь PsiQuantum