Дослідники NERSC очікують практиктичних квантових комп’ютерів протягом десятиріччя

Міністерство енергетики США (DOE) представило новий аналіз, який показує, що протягом наступного десятиліття квантові комп’ютери можуть перейти від теоретичної перспективи до практичної користі.

Дослідження, проведене Національним центром наукових обчислень (NERSC) та Лабораторією Лоуренса в Берклі (LBNL), виявило: ресурси, необхідні для розв’язання ключових наукових завдань на квантових машинах, за останні роки значно скоротилися, тоді як апаратні можливості компаній стрімко зростають. Ці дві тенденції, як прогнозують автори, перетнуться вже протягом 5–10 років, відкривши шлях для квантових систем до роботи з найскладнішими задачами, які нині виконують суперкомп’ютери DOE.

Аналіз охопив наукове навантаження NERSC, яке обслуговує понад 12 000 дослідників. Понад половина обчислювальних ресурсів нині припадає на матеріалознавство, квантову хімію та фізику високих енергій — саме ті сфери, де класичні методи слабшають, а квантові пристрої мають потенційну перевагу.

За останні п’ять років потреби в ресурсах для квантових обчислень різко знизилися. У вдосконалених алгоритмах і кращому структуруванні задач кількість необхідних кубітів скоротилася в рази, а обсяги квантових операцій — у сотні й тисячі разів. Одночасно публічні дорожні карти десяти провідних компаній у сфері квантових технологій демонструють амбітне масштабування апаратури — зростання можливостей аж на дев’ять порядків протягом наступного десятиліття.

Дослідження виділяє три головні напрями впливу квантових обчислень:

• Матеріалознавство — моделювання складних спінових систем і ґраткових структур, де квантові моделі найближче до «квантової переваги».
• Квантова хімія — сфера з найбільш динамічним скороченням ресурсних вимог. Розрахунки, які раніше були нереальними, тепер наближаються до діапазону майбутніх пристроїв. Це відкриває шлях до проривів у каталізі, енергетиці, батареях і нових матеріалах.
• Фізика високих енергій — найбільш вимогливий напрям, зокрема через задачі, пов’язані з сильною взаємодією між кварками й глюонами. Тут успіх залежатиме від прогресу в корекції помилок і кодуванні даних.

Окремий акцент зроблено на швидкості виконання завдань. Навіть якщо кількість кубітів та операцій відповідає вимогам, надто довгий час обчислень може зробити систему непридатною для практики. Для оцінки реальної продуктивності дослідники запропонували метрику Sustained Quantum System Performance (SQSP), що показує, скільки наукових робочих процесів машина здатна виконати за рік.

Огляд дорожніх карт постачальників підтверджує: протягом 5 років очікуються невеликі, але кориговані від помилок системи, а через десятиліття — великі стійкі квантові машини, здатні працювати з мільйонами логічних операцій. Це швидше за прогнози самого DOE, але залишається невизначеність щодо досягнення заявлених етапів.

Для DOE питання синхронізації стратегій є критичним, адже оновлення суперкомп’ютерів відбувається раз на п’ять років. Уже зараз понад половина їхніх завдань пов’язана з квантово-релевантними проблемами, тож у майбутньому важливим стане інтеграція квантових систем у гібридні робочі процеси разом із класичними HPC.

Автори підкреслюють: прорив залежить не лише від апаратури, а й від алгоритмічних удосконалень, оптимізації схем корекції помилок і тісної співпраці державного та приватного секторів. Водночас прогнозування в цій галузі залишається невизначеним, а реальні результати можуть відрізнятися як у більший, так і в менший бік.

Нагадаємо, протягом наступних десяти років IBM та Google планують представити власні квантові комп’ютери «промислового рівня».