Учените казват, че квантовите технологии са достигнали своя „транзисторен момент“

Квантовата технология бързо преминава отвъд контролираните лабораторни експерименти към практическо приложение. Според нова статия, публикувана в Science, областта е достигнала критична фаза, която напомня ранната ера на класическите компютри — преди изобретяването на транзистора да преобрази модерните технологии, пише ScienceDaily.

Статията е написана от изследователи от Чикагския университет, Станфорд, Масачузетския технологичен институт, Университета в Инсбрук (Австрия) и Техническия университет Делфт (Нидерландия). Тя разглежда текущото състояние на хардуера за квантова информация и очертава ключовите възможности и предизвикателства при изграждането на мащабируеми квантови компютри, комуникационни мрежи и системи за сензорика.

„Този трансформационен момент в квантовите технологии напомня за най-ранните дни на транзистора“, казва водещият автор Дейвид Ошалом, професор по молекулярно инженерство и физика в Чикагския университет и директор на Chicago Quantum Exchange и Chicago Quantum Institute.  „Фундаменталните физични концепции вече са установени, съществуват функциониращи системи, а сега трябва да развием партньорствата и координираните усилия, необходими за постигане на пълния, мащабен потенциал на тази технология. Как ще се справим с предизвикателствата пред мащабирането и модулните квантови архитектури?“

През последните десет години квантовите технологии са се развили от доказателствено-концептуални експерименти до системи, способни да поддържат ранни приложения в комуникацията, сензорите и изчисленията. Авторите отдават този бърз напредък на тясното сътрудничество между университети, държавни агенции и индустрията — същата комбинация от партньорства, която помогна за узряването на микроелектрониката през XX век.

Проучването преглежда шест основни квантови хардуерни платформи:

• свръхпроводящи кубити,
• уловени йони,
• дефекти в спинове,
• полупроводникови квантови точки,
• неутрални атоми,
• оптични фотонни кубити.

За да сравнят напредъка им в областта на изчисленията, симулацията, мрежите и сензориката, изследователите използвали големи езикови модели като ChatGPT и Gemini, за да оценят нивата на технологична готовност (TRL).

TRL измерват зрелостта на една технология по скала от 1 (основни принципи, наблюдавани в лаборатория) до 9 (доказана в оперативна среда). По-висок TRL не означава непременно, че технологията е близо до широко разпространено приложение, а по-скоро че е демонстрирала по-пълна системна функционалност.

Анализът предоставя моментна снимка на състоянието на областта днес. Макар че някои напреднали прототипи вече могат да работят като цели системи и да бъдат достъпни чрез публични облачни платформи, общите им показатели остават ограничени. Много високовъздействени приложения — като мащабни квантови симулации на химически системи — може да изискват милиони физически кубити с нива на грешка далеч под възможностите на днешните технологии.

Оценката на зрелостта без историческа перспектива може да бъде подвеждаща, обяснява съавторът Уилям Д. Оливър, професор по електротехника и компютърни науки, професор по физика и директор на Центъра за квантово инженерство в MIT.

„Докато полупроводниковите чипове през 70-те години бяха на TRL-9 за времето си, те можеха много малко в сравнение с днешните интегрални схеми“, казва той. „По подобен начин висок TRL на квантови технологии днес не означава, че крайната цел е постигната, нито че науката е приключила и остава само инженерство. Това отразява значима, но относително скромна демонстрация на системно ниво, която все още трябва значително да бъде подобрена и мащабирана, за да се реализира пълният потенциал.“

Авторите посочват няколко основни пречки пред мащабирането на квантовите системи.
Необходими са материали и производствени техники, които да осигуряват последователни, висококачествени устройства, произвеждани надеждно в индустриални количества. Окабеляването и подаването на сигнали остават големи инженерни предизвикателства, тъй като повечето платформи все още разчитат на отделни линии за управление на всеки кубит. Добавянето на повече кабели става непрактично, когато системите се движат към милиони кубити — проблем, който напомня „тиранията на числата“ от 60-те години.

Управлението на енергията, температурният контрол, автоматизираната калибрация и координацията на системно ниво са допълнителни предизвикателства, които ще растат с увеличаване на сложността на квантовите системи.

Статията прави паралел с дългия период на развитие на класическата електроника. Много революционни пробиви — като литографските техники и новите материали за транзистори — са се нуждаели от години или дори десетилетия, за да преминат от лабораторията към индустрията. Авторите твърдят, че квантовата технология вероятно ще следва подобен път. Те подчертават нуждата от цялостно системно проектиране, отворено научно сътрудничество, което да избегне ранна фрагментация, и реалистични очаквания.

„Търпението е ключов елемент при много епохални разработки“, пишат те, „и подчертава важността от умеряване на очакванията за срокове в квантовите технологии.“