Технический директор компании Xanadu объясняет, почему кремниевая фотоника — это будущее квантовых вычислений

Xanadu, компания по квантовым вычислениям, основанная в 2016 году со штаб-квартирой в Торонто, Канада, занимается созданием отказоустойчивых компьютеров на основе кремниевых фотонных чипов. Используя фотоны в качестве кубитов, компания считает, что кремниевая фотоника станет самым быстрым путем к созданию отказоустойчивого квантового компьютера, способного работать при комнатной температуре. Закари Вернон, технический директор Xanadu, отвечающий за аппаратное обеспечение, рассказал о возможностях, которые фотоника открывает в сфере квантовых вычислений.

Гонка за отказоустойчивость

В настоящее время существует несколько типов квантовых компьютеров, основанных на разных принципах, включая сверхпроводящие кубиты, квантовые точки, ионные ловушки и фотонику. «В настоящий момент между ними, безусловно, существует жесткая конкуренция, и вы видите множество подходов, которые различаются по типу используемого оборудования», — заметил Вернон, отметив, что, поскольку эти различные подходы все еще находятся на стадии прототипирования, разные типы квантовых компьютеров подходят для разных краткосрочных задач, и всем этим краткосрочным задачам немного не хватает реальных бизнес-приложений.

По мнению Вернона, в идеале, если все подходы к созданию квантового компьютера окажутся успешными, все они должны быть способными решать одни и те же проблемы. «Чтобы достичь этой точки, нам необходимо добиться отказоустойчивости и исправления ошибок, и мы думаем, что именно фотоника  добьется этого и будет быстрее всех масштабироваться», — объяснил технический директор, подчеркнув, что масштабирование и производительность очень важны для достижения отказоустойчивости.

«Для кодирования исправления ошибок вам нужно много кубитов, но вам также нужны высокопроизводительные кубиты».  Фотоника позволяет объединять различные чипы в сеть с помощью оптического волокна по различным схемам, обеспечивая лучшую связь, чем обычно. Вернон отметил, что в результате лучшей связи можно получить доступ к более совершенным кодам, особенно к кодам квантовой проверки четности низкой плотности (LDPC). «Фотоника — действительно единственный подход, который может получить к нему доступ, поскольку другие подходы очень ограничены в связях между своими кубитами, тогда как фотоника может использовать оптические волокна для маршрутизации кубитов куда угодно. Поскольку количество кубитов, которое сейчас обычно измеряется миллионами, стало синонимом происходящей глобальной квантовой гонки, технический директор Xanadu отметил, что фотонике также потребуются миллионы кубитов, чтобы обеспечить преимущество. Благодаря способности Xanadu использовать более совершенный LDPC, компания может получить доступ в десять-сто раз больше логических кубитов, чем конкуренты.

Толко Xanadu потребуются сотни тысяч 300-миллиметровых пластин в год, поскольку квантовый компьютер подобен центру обработки данных, который использует тысячи или миллионы чипов. «Это очень значительная рыночная возможность, которая через несколько лет, по сути, будет напрямую сравниваться с сегодняшним объемом пластин кремниевой фотоники», — заметил Вернон. По его словам, в ближайшие годы компания надеется достичь отказоустойчивости и масштабировать до 1000 логических кубитов с коррекцией ошибок. «Это будет похоже на центр обработки данных примерно с 10 000 стоек», — сказал он, указав, что основным приоритетом компании сейчас является разработка аппаратного обеспечения, необходимого для создания отказоустойчивого компьютера, развернутого в облаке. В долгосрочной перспективе использование кремниевой фотоники потенциально позволит развернуть квантовые компьютеры ближе к периферии. «В принципе, нет фундаментальной причины, по которой квантовый компьютер, использующий фотонику, не может быть внутри потребительского устройства, — объяснил Вернон, — для этого необходимо разработать определенные технологии, но, по сути, такая возможность существует, потому что они в принципе все может работать при комнатной температуре». 

Риск остаться позади конкурентов

Накануне революции в области искусственного интеллекта в области квантового машинного обучения проделана большая работа, хотя оно все еще находится на ранней стадии своего развития. «Идет активная разработка алгоритмов, и кажется, что квантовые компьютеры смогут решать определенные задачи машинного обучения совсем по-другому», — сказал Вернон. Тем не менее, прежде чем можно будет полностью понять последствия, по-прежнему необходимы крупномасштабные отказоустойчивые квантовые компьютеры. «Как только эти вещи будут масштабированы до очень значительных размеров, они смогут более эффективно выполнять традиционные базовые операции машинного обучения, такие как матричные операции»

Вернон считает, что вместо замены центров обработки данных квантовые компьютеры дополнят их, указывая на то, что квантовые вычисления не решают вычислительные проблемы и приложения, которые в настоящее время выполняются периферийными кластерами. «Типы алгоритмов, к которым обращаются квантовые вычисления во всех подходах, совершенно разные, и они совершенно недоступны обычным классическим компьютерам из-за математической структуры решаемых задач», — отметил он, добавив, что развитие квантовых вычислений это не что-то постепенное, что дает небольшое преимущество по сравнению с ранее существовавшими технологиями. «Хорошим примером является последняя созданная нами облачная машина Borealis, которая смогла превзойти самый мощный в мире суперкомпьютер (по сравнению с Fugaku) на многие порядки». По сути, квантовые вычисления решают совершенно другой набор проблем, которые невозможно решить простым расширением центра обработки данных. «Это открывает рынки приложений, которые просто недоступны и всегда будут недоступны для современных технологий», — сказал Вернон. Учитывая стратегическое значение квантовых вычислений, глобальная гонка уже началась. Что касается преимущества Канады, эта страна имеет больший вес в экосистеме, особенно в сфере развития рабочей силы, и ряд выдающихся физиков и инженеров, вышедших из канадских университетов, были напрямую наняты Xanadu. Когда дело доходит до преимуществ Тайваня, Вернон считает, что Тайвань является «Меккой полупроводников» и, следовательно, однажды станет центром кремниевой фотоники, играя таким образом решающую роль в цепочке поставок в будущем. Однако он подчеркнул, что тайваньская экосистема должна уделять внимание настройке и оптимизации, «что лучше сделать раньше, чем позже».