При изучении мироздания современная наука дошла до квантовой теории поля. Все известные учёным элементарные частицы — это проявления квантовых полей, присущих каждой из них. При этом между этими проявлениями в виде частиц и античастиц происходят взаимодействия посредством множества сил, которые также представляют собой поля (электромагнитные, ядерные, гравитационные и другие). Смоделировать всё это — почти неподъёмная задача. Но учёные поняли, как её решать.

Художественное представление «танца» элементарных частиц в двух измрениях. Источник изображения: Harald Ritsch

Двоичное представление данных, лежащее в основе алгоритмов классических и квантовых компьютеров, не позволяет создать модель Вселенной в полном объёме на её фундаментальном уровне. Слишком много факторов приходится учитывать, и вычисления быстро превышают любые аппаратные возможности. С квантовыми компьютерами задача может оказаться чуть проще, ведь они, по сути, симулируют квантовые явления и способны упростить моделирование квантовой теории поля по сравнению с классическими суперкомпьютерами. Однако даже им не хватает разрядности.

Решение заключается в том, что кубиты тоже могут быть многоуровневыми. Каждый кубит может быть представлен кутритом (в трёх состояниях), куквартом (в четырёх), куквинтом (в пяти) и так далее. В общем случае такие кубиты называются кудитами (qudit). В России, например, квантовые системы на кудитах разрабатываются почти с самого начала работы над квантовыми вычислительными платформами. Кудиты позволяют кодировать гораздо более сложное и многогранное поведение квантовых полей и их взаимодействий, чем обычные двоичные кубиты. Именно этим решили воспользоваться учёные из Австрии и Канады. В своей работе они использовали куквинты — кубиты с пятью отдельными состояниями.

Ещё в 2016 году в Университете Инсбрука было продемонстрировано моделирование пар частица-античастица. «В этой демонстрации мы упростили задачу, ограничив движение частиц одной прямой. Снятие этого ограничения — важный шаг на пути к использованию квантовых компьютеров для понимания фундаментальных взаимодействий частиц», — поясняют учёные. В новой работе была представлена первая квантовая симуляция в двух пространственных измерениях. Физически квантовая система для работы с кудитами была создана в Инсбруке, а алгоритм для моделирования разработали в Канаде.

«Помимо поведения частиц, теперь мы также видим магнитные поля между ними, которые могут существовать только в том случае, если частицы не ограничены в движении одной осью. Это приближает нас на важный шаг к изучению природы», — говорят исследователи. Однако это только первый шаг, ведь впереди — третье пространственное измерение и целый спектр других взаимодействий между частицами, помимо электромагнитного. Всё это также предстоит учесть в модели, чтобы точно воспроизвести нашу Вселенную на уровне квантовых полей.

Новая работа по квантовой электродинамике — это лишь начало. С добавлением всего нескольких дополнительных кубитов (кудитов) можно будет распространить текущие результаты не только на трёхмерные модели, но и на сильное ядерное взаимодействие, которое удерживает атомы вместе и содержит в себе многие из оставшихся загадок физики. «Мы воодушевлены потенциалом квантовых компьютеров в изучении этих увлекательных вопросов», — резюмируют учёные.

Необходимость открыть исследовательский центр, специализирующийся на проблемах создания квантовых компьютеров, вынудила руководство Nvidia не только созвать представителей отрасли на отдельном мероприятии, но и извиниться перед ними за излишний пессимизм, транслировавшийся в январе этого года.

Источник изображения: Nvidia

Тогда генеральный директор Nvidia Дженсен Хуанг (Jensen Huang) заявил, что сомневается в способности пригодных к практическому использованию квантовых компьютеров появиться на рынке в перспективе ближайших 15 лет. Тогда он даже был убеждён, что лучше настраиваться на срок не менее 20 лет. Подобные прогнозы глава Nvidia делал, опираясь на опыт его собственной компании, у которой серьёзный бизнес в сфере аппаратного и программного обеспечения развивался на протяжении 20 лет.

Собрав представителей отрасли квантовых вычислений на мероприятии Quantum Day на этой неделе, Дженсен Хуанг был вынужден признать, что был не прав в своих прогнозах. Он также заявил, что был удивлён реакцией фондового рынка на свои январские заявления. По сути, сам по себе факт существования публичных компаний, которые занимаются проблемами создания квантовых компьютеров, удивил основателя Nvidia. На мероприятии в четверг руководство Nvidia выступало с серией докладов плечом к плечу с представителями 12 компаний, работающих в сфере квантовых вычислений. Некоторые из участников мероприятия выступили с критикой январских заявлений Хуанга. Последний даже пошутил на эту тему: «Это мероприятие является первым в истории, на которое генеральный директор компании пригласил гостей, чтобы объяснить, почему он был не прав».

К данному мероприятию было приурочено и открытие исследовательского центра Nvidia в Бостоне, который будет специализироваться на расчётах, связанных с разработкой квантовых компьютеров. Учёные из Гарварда и МТИ будут сотрудничать с представителями Nvidia и нескольких компаний, занимающихся созданием квантовых компьютеров: Quantinuum, Quantum Machines и QuEra Computing. К работе новый исследовательский центр приступит в этом году, местные вычислительные мощности будут основаны на новейших ускорителях Blackwell.

Глава Nvidia разделяет мнение некоторых представителей отрасли квантовых вычислений, которые считают, что после появления квантовых компьютеров место для традиционных вычислительных центров на основе полупроводниковых компонентов тоже останется. Они будут работать бок о бок. По крайней мере, для разработки квантовых компьютеров будут использоваться традиционные. Хуанг добавил, что в своё время ошибся в своих предсказаниях по поводу экспансии вычислительных систем, основанных на GPU. Много лет назад он был уверен, что они вытеснят с рынка все прочие, но теперь признаёт, что был не прав.

Nvidia объявила, что в этом году в Бостоне откроется новый исследовательский центр, который ускорит развитие квантовых компьютеров и прикладных квантовых алгоритмов. Центр объединит усилия ведущих специалистов в области архитектуры и алгоритмов, которые с помощью суперускорителей Nvidia ускорят приближение будущего, в котором практичные и устойчивые к ошибкам квантовые вычисления станут привычным явлением.

Источник изображения: Nvidia

Центр NVAQC (Nvidia Accelerated Quantum Research Center) соединит передовое квантовое вычислительное оборудование с суперкомпьютерами и моделями искусственного интеллекта. NVAQC поможет решить самые сложные задачи квантовых вычислений — от устранения шума кубитов до преобразования экспериментальных квантовых процессоров в практические устройства.

Ведущие разработчики квантовых вычислений, включая Quantinuum, Quantum Machines и QuEra Computing, будут использовать возможности NVAQC для продвижения исследований, сотрудничая с ведущими университетами — Гарвардом (HQI), Массачусетским технологическим институтом (MIT) и другими.

«Квантовые вычисления дополнят возможности суперкомпьютеров с искусственным интеллектом при решении одних из самых важных проблем в мире — от создания лекарств до разработки новых материалов, — сказал Дженсен Хуан (Jen-Hsun Huang), основатель и генеральный директор Nvidia. — Работая с широким сообществом квантовых исследователей над развитием гибридных CUDA-квантовых вычислений, Центр квантовых исследований NVAQC станет местом, где будут достигнуты прорывные результаты в создании крупномасштабных, полезных и ускоренных квантовых суперкомпьютеров».

В рамках NVAQC коммерческие и академические партнёры получат от Nvidia доступ к самым современным стоечным системам Nvidia GB200 NVL72 — это самое мощное аппаратное обеспечение, когда-либо использовавшееся в области квантовых вычислений. Оно позволит проводить сложное моделирование квантовых систем и использовать алгоритмы управления квантовым оборудованием с низкой задержкой, необходимой для коррекции квантовых ошибок. Системы Nvidia GB200 NVL72 также ускорят внедрение алгоритмов искусственного интеллекта в исследования квантовых вычислений.

Платформа Nvidia CUDA-Q обеспечит интеграцию графических ускорителей компании с различными квантовыми вычислительными архитектурами, что позволит исследовательским группам разрабатывать новые гибридные квантовые алгоритмы и приложения. В конечном итоге это поможет создать прорывные квантовые вычислительные платформы в кратчайшие сроки.

Израильский стартап QuamCore представил концепцию устойчивого к ошибкам и имеющего практическую ценность квантового компьютера с миллионом кубитов. Основная ценность разработки заключается в уникальной «сжатой» архитектуре криогенного вычислительного блока. Для достижения компактности и возможности дальнейшего масштабирования схемы управления квантовыми цепями удалось разместить ближе к кубитам, внутри криогенной камеры.

Источник изображения: QuamCore

Презентация состоялась после того, как QuamCore получила начальное финансирование в размере $9 млн от Viola Ventures при участии Earth & Beyond, которая инвестировала в компанию на ранних этапах, а также Surround Ventures, стратегических международных инвесторов и Израильского управления инноваций.

«Мы основали компанию с одной-единственной целью – решить проблему масштабирования, которая мешает квантовым компьютерам быть практичными и полезными», — сказал генеральный директор и соучредитель QuamCore Алон Коэн (Alon Cohen) в интервью изданию Ynet.

«Мы с самого начала поняли, что реальная ценность заключается в достижении миллиона кубитов. Мы нашли способ преодолеть основное препятствие, которое до сих пор мешало этому, — сказал он. — У нас есть подробный план создания квантового компьютера на миллион кубитов со встроенной коррекцией ошибок, что значительно приближает нас к практическим квантовым системам, способным решать реальные задачи».

Использующие сверхпроводящую технологию квантовые процессоры должны работать при температуре, близкой к абсолютному нулю. Для этого они помещаются в системы криогенного охлаждения. Сотни золотых проводов, соединяющих чип, создают характерный для квантовых компьютеров вид «люстры». Подобный подход, считают в QuamCore, имеет предел масштабирования примерно на уровне 5000 кубитов. Для дальнейшего расширения платформы и увеличения числа кубитов таким способом потребуется масштабная криогенная инфраструктура, что неимоверно сложно и дорого.

Классический квантовый компьютер на сверхпроводящих кубитах. Источник изображения: IBM

Разработка QuamCore устранила давнее ограничение: необходимость размещать систему управления вне охлаждающей камеры, что делалось для предотвращения нагрева рабочего объёма с кубитами. В компании создали компактный вычислительный блок, легко поддающийся масштабированию, чем сразу решили множество будущих проблем, связанных с созданием кластерных структур.

Коэн заявил, что этот прорыв снижает затраты на вычисления и энергопотребление в 1000 раз, сокращает время сборки систем до нескольких дней и позволяет объединять квантовые компьютеры в сеть для дальнейшего увеличения количества кубитов. У предложенной системы пока только один недостаток — она существует лишь на бумаге.

Привлечение инвестиций даёт надежду вскоре увидеть прототип интересной квантовой вычислительной архитектуры. В компании QuamCore работает группа специалистов в области квантовой физики. Глава QuamCore ранее участвовал в основании компании Mobileye, занимавшейся созданием платформ визуализации, которую успешно продали Intel. Не исключено, что QuamCore с её невероятными перспективами по созданию компьютера с миллионом кубитов тоже со временем попадёт в хорошие руки.

Компания D-Wave пополнила ряды разработчиков квантовых компьютеров, заявивших о достижении так называемого «квантового превосходства». Под этим термином понимается способность квантовой системы решать задачи, которые у традиционного компьютера заняли бы миллионы лет вычислений. Это достижение может привести к появлению практических квантовых систем.

Источник изображений: D-Wave

Компания из Пало-Альто опубликовала в научном журнале Science статью, в которой описала, как её квантовая система провела моделирование новых магнитных материалов — задачи, которая, по её словам, не под силу современным классическим компьютерам. Такие материалы используются в различных датчиках, смартфонах, двигателях и медицинских устройствах визуализации.

«В каком-то смысле это Святой Грааль квантовых вычислений, — сказал Алан Барац (Alan Baratz), исполнительный директор D-Wave. — Это то, к чему стремились все в отрасли, и мы первые, кто действительно продемонстрировал это».

Как рассказал Эндрю Кинг (Andrew King), старший научный сотрудник D-Wave, моделирование нового материала со сложным магнитным полем с помощью квантового компьютера было выполнено менее чем за 20 минут. У ведущего суперкомпьютера Ок-Риджской национальной лаборатории аналогичная задача заняла бы около миллиона лет для достижения того же уровня детализации.

В компании заявили, что эта демонстрация стала первым случаем применения квантового компьютера для решения задач, имеющих практическое применение. По словам Бараца, возможность моделировать новые магнитные материалы, широко используемые в промышленности, означает, что их свойства могут быть изучены ещё до запуска в производство.

Подход D-Wave заметно отличается от методологии других разработчиков квантовых компьютеров. Вместо того чтобы пытаться создать универсальный квантовый компьютер, способный решать практически любые задачи, D-Wave выбрала более узкоспециализированный подход — квантовый отжиг. Эта технология лучше всего подходит для решения сложных оптимизационных задач, а также для некоторых видов моделирования материалов.

Несмотря на более узкую сферу применения, эта технология остаётся востребованной в бизнесе. Например, квантовая система хорошо справляется с «задачей коммивояжёра» — поиском оптимального маршрута между большим количеством различных точек.

В эксперименте был задействован прототип квантового компьютера Advantage2, который насчитывает более 1200 кубитов и более 10 000 «каплеров» (couplers) и доступен для клиентов D-Wave через облачный квантовый сервис Leap в реальном времени. Этот прототип значительно быстрее систем Advantage предыдущего поколения и позволяет находить более качественные решения для больших и сложных задач, отмечает производитель. Более того, в настоящее время D-Wave располагает процессором Advantage2, который в четыре раза превышает по мощности задействованный в эксперименте прототип.

D-Wave стала не первой компанией, заявившей о достижении квантового превосходства (хотя сама использует термин «квантовое преимущество» в том же значении). Первыми о нём объявили в Google ещё в 2019 году, однако их заявление вскоре было опровергнуто китайскими исследователями. Они показали, что традиционный суперкомпьютер можно было запрограммировать на выполнение той же задачи за гораздо меньшее время, чем утверждала Google.

Стоит отметить, что в последнее время квантовые компьютеры снова «вошли в моду». Недавно Google и Amazon анонсировали свои собственные квантовые чипы, а Microsoft в феврале заявила, что создала квантовый процессор на частицах, которые ещё не были обнаружены учёными. Эти разработки, по мнению компании, помогут сделать квантовые компьютеры более мощными.

D-Wave утверждает, что её машины коммерчески полезны уже много лет, хотя компании с трудом удаётся построить масштабный бизнес. Первые три квантовых компьютера она продала 14 лет назад, в том числе один консорциуму, в который входили Google и NASA, а затем перешла к продаже доступа к своей технологии через облако. За первые девять месяцев 2024 года выручка компании составила всего $6,5 млн, а убыток — $57 млн. Тем не менее в D-Wave считают, что четверть века, потребовавшиеся на достижение квантового превосходства, — вполне разумный срок по сравнению с десятилетиями, которые понадобились для коммерциализации традиционных компьютеров после изобретения транзистора.

16 марта начнёт работу конференция American Physical Society (APS), на которой ожидаются горячие дебаты по поводу разработанного компанией Microsoft квантового процессора Majorana 1 на не открытых физиками частицах — фермионах Майораны. Все работы Microsoft по поводу разработки были настолько сомнительными, что ряд физиков открыто обвиняют компанию в мошенничестве. В научном сообществе конференцию APS ждут с нетерпением и советуют запасаться попкорном.

Источник изображений: Microsoft

Заявления Microsoft о прорыве в разработке квантовых процессоров были сделаны в феврале, когда компания объявила, что её собственные специалисты создали «первый в мире топопроводник — революционный тип материала, который позволяет регистрировать майорановские частицы и управлять ими для создания более надёжных и масштабируемых кубитов, которые являются строительными блоками для квантовых компьютеров».

Поскольку фермионы Майораны пока ещё никто из физиков не регистрировал, множество учёных восприняли заявления Microsoft о квантовом прорыве как «ненадёжные» и «по сути мошеннические». В то же время в компании настаивают, что всё сделали правильно, и скоро поделятся ещё более впечатляющими результатами, в частности, на предстоящей конференции APS. Почему это не было сделано сразу, в компании не объясняют.

Один из аргументов Microsoft заключается в том, что статья была направлена для публикации в марте 2024 года, но вышла в печать в феврале 2025 года, хотя практика исправлять статьи широко распространена, и никто не мешал внести правки перед публикацией.

Microsoft и раньше делала громкие заявления о частицах Майораны, но ничем хорошим это не заканчивалось: в 2021 году исследователи из Редмонда отказались от статьи 2018 года, в которой они утверждали, что обнаружили эти частицы. Новая статья также изобилует пробелами и неточностями, на которые специалисты начали указывать после публикации в Nature. Развёрнутый ответ на критику компания обещает дать на конференции APS в период с 16 по 21 марта.

Генри Легг (Henry Legg), преподаватель теоретической физики в Сент-Эндрюсском университете в Великобритании (University of St Andrews), недавно опубликовал критический обзор в виде препринта на сайте arXiv.org, в котором утверждает, что работа гиганта программного обеспечения «ненадёжна и требует повторного рассмотрения».

Винсент Мурик (Vincent Mourik), физик-экспериментатор из немецкой национальной исследовательской организации Forschungszentrum Jülich, и Сергей Фролов, профессор физики и астрономии в Университете Питтсбурга в США (University of Pittsburgh), использовали YouTube, чтобы раскритиковать «отвлекающие факторы, вызванные ненадежными научными заявлениями Microsoft Quantum».

В интервью The Register Фролов пошел ещё дальше: «Эти опасения возникли довольно давно, так что [реакция сообщества] была вызвана не только этим объявлением как таковым. Оно было сделано в такой экспрессивной манере, что, я думаю, вызвало реакцию, но [не изменило] основного понимания того, что это, по сути, мошеннический проект». Фролов пояснил своё резко негативное отношение к открытию тем, что «это предполагаемая технология, основанная на фундаментальных физических законах, которые не были установлены». «Так что это довольно серьёзная проблема», — сказал учёный.

Фролов также заявил, что несколько недель назад в преддверии встречи APS на следующей неделе Microsoft уже поделилась данными с избранными исследователями, и это не укрепило уверенность приглашённых на мероприятие учёных в заявлениях компании. «Меня там не было, но я поговорил с несколькими людьми, которые были там… и они были не в восторге, и было много критики», — сказал он.

Физик уверен, что встреча APS на следующей неделе не решит этот вопрос по двум причинам. Во-первых, он считает, что Microsoft неправильно поняла науку: «Как физик я могу сказать, что этот кубит, о котором они говорят, просто не может работать, потому что топологический кубит требует майорановских частиц, а без майорановских частиц он не может существовать».

«Если все ваши результаты по Майоране будут тщательно изучены и подвергнуты критике, то это ни в коем случае не будет топологическим кубитом. Это оставляет только один вариант: это… ненадёжная демонстрация. И именно поэтому я говорю о мошенничестве, потому что на данный момент у меня нет других слов», — продолжает свои рассуждения Фролов.

По мнению профессора, формат конференции APS на следующей неделе не позволит тщательно изучить заявления Microsoft. В письме в адрес APS он пеняет организаторам за то, что они не пригласили выступить с докладом критиков Microsoft. Также в письме содержится призыв к APS раскрыть информацию о выплатах, полученных от Microsoft, и уведомить участников конференции о проблемах сообщества, связанных с заявлениями гиганта программного обеспечения. Также автор обращения желает, чтобы Microsoft поделилась исчерпывающими данными о своём исследовании, чтобы при необходимости внести исправления.

Критика со стороны Генри Легга связана с его мнением, что Microsoft опирается на тесты, которые не работают. «С этим так называемым протоколом топологического зазора возникает много проблем, — объяснил Легг. — И, в конечном счёте, он не даёт никакой информации о реальной физике, которая происходит в этих устройствах. В итоге протокол чувствителен к таким вещам, как диапазоны измерений». По мнению физика, компания в разных статьях использует разные диапазоны измерений, что она никак не объясняет в последней работе. Также учёный прослеживает несоответствия в статьях Microsoft за разные годы.

«У них было определение топологического [состояния], а потом они его изменили, — сказал он. — По сути, они превратили его в нечто почти бессмысленное и, безусловно, бессмысленное, когда дело доходит до создания топологического кубита».

Проблема, с которой столкнулась Microsoft, объяснил Легг, схожа с проблемой, из-за которой исследователи компании отозвали свою статью 2018 года. По его словам, это стало необходимым, потому что описанное в ней поведение не было доказательством существования частиц Майораны, а лишь описанием нарушения в системе.

«Суть в том, что системы, на которые они смотрят, по-прежнему так же неупорядочены, и качество устройств не улучшилось. Единственное, что улучшилось, — это качество пиар-кампании или, по крайней мере, уровень заявлений, которые они делают. И я бы сказал, что почти все в этой области [науки] согласны с этим», — отстаивает свою позицию учёный.

В Microsoft обещают дать развёрнутый ответ на предстоящей конференции, продолжая настаивать на том, что они придерживаются научного подхода, и претензий со стороны рецензентов и редакции журнала Nature не было.

Восприимчивость к помехам — это самое слабое место квантовых компьютеров. Для защиты от ошибок квантовых вычислений нельзя применить классические решения. На помощь приходят либо запредельная избыточность, либо изощрённые архитектуры. Amazon сделала ставку на второе, обещая проложить к путь к практичным квантовым платформам.

Источник изображения: ИИ-генерация Grok 3/3DNews

В новой работе исследователи компании Amazon продемонстрировали сочетание отказоустойчивого оборудования и контура для исправления ошибок. По крайней мере, кубиты Amazon не требуют новой физики, как в случае новой устойчивой к ошибкам квантовой архитектуры Microsoft на майорановских фермионах. Проще говоря, Amazon использует проверенные временем решения в оригинальном исполнении, а у такого подхода есть понятные перспективы.

Квантовая вычислительная платформа Amazon для повышения стабильности квантовой информации — квантовых состояний кубитов — сочетает в себе два разных типа аппаратных кубитов. Идея заключается в том, что один тип кубитов устойчив к одному из типов ошибок, а второй можно использовать для реализации кода исправления остальных ошибок, который выявляет возникающие проблемы в вычислительной (алгоритмической) цепи. Демонстрация Amazon не могла похвастаться масштабом, однако на базовом уровне показала потенциальную правильность подхода.

В обычном компьютере возникает только один тип ошибок — это переключение бита, когда под воздействием обстоятельств 0 может стать 1 и наоборот. Как и в большинстве случаев, связанных с квантовыми вычислениями, с кубитами всё значительно сложнее. Поскольку они содержат не двоичные значения, а вероятности, то в случае ошибочного переключения кубита возвращение его истинного состояния будет представлять определённую сложность.

Но переключение битов — не единственная проблема, которая может возникнуть. Кубиты также могут страдать от так называемых ошибок перестановки фаз. В классических компьютерах им нет аналогов, но они также будут препятствовать нормальной работе квантовых компьютеров.

Ещё в 2021 году сотрудники Amazon показали, что могут быть созданы кубиты, которые чрезвычайно устойчивы к одному типу ошибок — к переключению бита. В новой работе эта концепция подтверждается и, по сути, становится базовой. Для этого используются так называемые кошачьи кубиты (Cat qubit). Название кубитам дано в честь кошки Шрёдингера, которая находится в состоянии суперпозиции.

По факту это групповое квантовое состояние, размазанное по нескольким элементарным частицам, в частности, по фотонам. Ошибочное переключение одного фотона в группе не влияет на квантовое состояние группы. Такой кубит условно не подвержен ошибкам переключения бита и о них как бы можно забыть, а значит архитектура вычислителя априори будет проще. Исправлять нужно будет уже не два, а только один тип ошибок, связанный с переключением фазы. Правда, чем больше фотонов в группе, тем выше вероятность ошибочного переключения фазы и при масштабировании платформы с этим тоже придётся что-то делать.

Обнаружение и исправление ошибок фазового сдвига с помощью кода повторения. Источник изображения: Nature

Именно из-за этих фазовых переворотов был введен второй набор кубитов, называемых трансмонами. Трансмоны — это широко используемый тип кубита, основанный на петле из сверхпроводящего провода, соединенной с микроволновым резонатором, и используемый такими компаниями, как IBM и Google. Сверхпроводящие трансмоны были использованы для связи кошачьих кубитов, что позволило команде создать логический кубит с исправлением ошибок, используя простой код исправления ошибок, называемый кодом повторения.

Обнаружившие ошибки трансмоны выбросили красные флаги. Источник изображения: Nature

На представленной выше условной схеме каждый из кошачьих кубитов связан с соседним трансмоном. Это позволяет трансмонам отслеживать происходящее в кошачьих кубитах с помощью так называемых слабых измерений. Такие измерения не разрушают квантовое состояние, как при полном измерении, но позволяют обнаруживать изменения в соседних кошачьих кубитах и извлекать информацию, необходимую для исправления ошибок, если такие возникают.

Таким образом, сочетание этих двух методов означает, что почти все возникающие ошибки являются ошибками сдвига фаз, которые обнаруживаются и исправляются, ведь ошибок переключения бита в системе не должно возникать по определению, хотя на самом деле это не так. И всё же, в случае необходимости исправлять два типа ошибок одновременно, что было распространено до сих пор, для реализации каждого логического кубита требовалось очень много физических кубитов. В случае схемы Amazon предполагается, что исправлять придётся всего один тип ошибок, и на каждый логический кубит пойдёт ощутимо меньше физических кубитов.

В проведённом исследовании Amazon показала, что при сравнении цепочки из трёх кошачьих кубитов и двух трансмонов с цепочкой из пяти кошачьих кубитов и четырёх трансмонов частота ошибок уменьшилась при усложнении архитектуры. Для типичных квантовых систем обычно всё происходит наоборот — чем больше кубитов, тем выше частота появления ошибок, по крайней мере на больших масштабах. Тем самым Amazon заявляет о преимуществах своего подхода, который позволит наращивать число физических и логических кубитов и сдерживать вероятность нарастания ошибок вычислений.

На самом деле всё намного сложнее. Сами трансмоны подвержены обоим типам ошибок и сбой одного из них обрушит всё вычисление. Также кошачьи кубиты не могут похвастаться полным отсутствием ошибок переключения бита, и в случае появления такой ошибки вычисления также не будут иметь смысла. Однако предложенная Amazon идея имеет потенциал и право на дальнейшую разработку.

В среде специалистов складывается мнение, что новый топологический квантовый процессор Microsoft Majorana 1 на гипотетических майорановских фермионах, сродни сути квантовой физики, благодаря которой знаменитая кошка Шрёдингера и мертва, и жива одновременно. Фермионы Майораны пока существуют только в теории, что не помешало компании объявить о создании процессора на ещё не открытых частицах. Частиц нет, но процессор есть. Фантастика!

Источник изображений: Microsoft

Напомним, на этой неделе компания Microsoft представила квантовый процессор Majorana 1 («Майорана 1»). Решение названо революционным, ведь оно впервые в мире основано на топологическом материале. Топологические материалы отличаются тем, что заряд расположен на их поверхности и не проникает вглубь. Это придаёт им ряд интересных свойств, включая высочайшую помехозащищённость.

По словам компании Microsoft, процессор Majorana 1 в 800 раз устойчивее к помехам (ошибкам), чем конкурирующие разработки. Тем самым компания намекает, что готова в обозримом будущем создать квантовый компьютер, свободный от ошибок. Иными словами, квантовые вычислители станут практически значимыми со всеми вытекающими — взломом самых защищённых сегодня кодов, прорывам в материаловедении, фармакологии и вообще во всех сферах человеческой жизни и деятельности.

Несмотря на громкие заявления, специалисты относятся к заявлениям Microsoft скептически. Публично компания не привела никаких доказательств работы кубитов на майорановских фермионах и, следовательно, работа процессора Majorana 1 и платформы в целом тоже не имеет под собой никаких доказательств. За это компания подверглась критике.

«Если у вас есть какие-то новые результаты, не связанные с этой статьей, почему бы вам не подождать, пока у вас не будет достаточно материала для отдельной публикации?», — говорит Дэниел Лосс (Daniel Loss), физик из Базельского университета, Швейцария. «Не видя дополнительных данных о работе кубита, мы мало что можем прокомментировать», — вторит ему Георгиос Кацарос (Georgios Katsaros), физик из Института науки и технологий Австрии в Клостернёйбурге.

В Microsoft нашлось, что ответить на критику ранней публикации «результатов». «Мы стремимся к своевременной открытой публикации результатов наших исследований, а также к защите интеллектуальной собственности компании», — поясняют в компании. Более того, если верить Microsoft, результаты исследований были показаны избранному кругу физиков, которые нашли их интересными и перспективными.

«Поставил бы я свою жизнь на то, что они видят то, о чём думают? Нет, но это выглядит довольно неплохо, — признался Стивен Саймон (Steven Simon), физик-теоретик из Оксфордского университета, Великобритания, который был ознакомлен с результатами. — Нет однозначного доказательства, которое сразу из эксперимента подтвердило бы, что кубиты состоят из топологических состояний». Окончательно это будет доказано, если после масштабирования устройства они будут работать так, как ожидалось, добавил он.

«Мы создали кубит и показали, что вы можете не только измерить чётность в двух параллельных проводах, но и провести измерение, соединяющее два провода», — говорит в своё оправдание исследователь Microsoft.

«По мере того, как мы проводим больше типов измерений, становится всё труднее объяснять наши результаты с помощью нетопологических моделей, — говорят в компании. — Возможно, мы никогда не сможем всех в этом убедить. Но нетопологические объяснения потребуют всё большего числа тонких настроек». Иными словами, все демонстрируемые процессы будут указывать на правоту Microsoft и ошибочные представления критиков.

Также стало известно чуть больше о «кубите Майораны». Майорановские фермионы — это гипотетические частицы и ряд их характеристик можно воспроизвести в коллективных состояниях электронов или других элементарных частиц. В таком случае это будут квазичастицы. Созданный в Microsoft кубит представляет собой два нанопровода из арсенида индия, соединённых перемычкой посередине, изображая большую латинскую букву H.

Майорановские квазичастицы в виде групп электронов собраны на концах H-конструкции. Во всех случаях они состоят из Куперовских пар электронов, «спаривание» которых происходит при явлении сверхпроводимости, а кубит Microsoft — сверхпроводящий. Затем в каждый из двух нанопроводов вводятся по одному одиночному электрону, у которых нет пары. Введение дополнительного, непарного электрона создаёт возбуждённое состояние. Этот электрон в каждом нанопроводе существует в «делокализованном» состоянии (его волновая функция размазывается по двум волновым функциям майорановских квазичастиц на концах провода). Всё это якобы позволяет кубиту находится в состоянии суперпозиции.

В оригинальной статье Microsoft приводятся результаты измерений, свидетельствующие о том, что нанопроволока действительно содержит дополнительный электрон. Эти тесты «сами по себе» не гарантируют, что нанопроволока содержит две майорановские квазичастицы, предупреждают авторы, но очень на это надеются.

Добавим, ещё в 2018 году учёные из Нидерландов на деньги Microsoft провели эксперимент, на основании которого опубликовали статью о создании квазичастиц Майораны. Позже статья была отозвана из журнала Nature, где была опубликована. Один из критиков статьи, который поспособствовал её отзыву — Винсент Мурик (Vincent Mourik), физик из исследовательского центра имени Гельмгольца в Юлихе, Германия, уверен: «На фундаментальном уровне подход к созданию квантового компьютера на основе топологических кубитов Майораны в том виде, в каком он предлагается Microsoft, не сработает». Король, судя по всему, оказался голым, как в одноимённой сказке.

Компания Microsoft объявила о революции в сфере квантовых вычислений. Специалисты компании разработали и воплотили в «железе» абсолютно новый принцип кубитов, который ранее никем не был реализован. В основе квантового процессора Majorana 1 («Майорана 1») задействованы гипотетические частицы — фермионы Майораны. Интересно, что у этой разработки можно обнаружить российские и даже советские корни.

Источник изображений: Microsoft

Прежде всего поясним, что фермионы Майораны существуют лишь в теории. Эти частицы ещё не были зарегистрированы в экспериментах, и их обнаружение будет равнозначно получению Нобелевской премии по физике. Пока же это мечта и цель многих учёных. Значит ли это, что Microsoft всех обманула? И да, и нет. В последние годы физики научились создавать квазичастицы, близкие по свойствам к фермионам Майораны. Это облака из сверхохлаждённых электронов, которые называют «модами нуль-энергии».

Идею квантового компьютера на основе майорановских фермионов в 1990-х годах разработал советский, российский, а позднее американский физик Алексей Китаев. Он также помогал Microsoft с продвижением этого направления. Китаев разработал теорию, объясняющую способы получения таких квазичастиц. Они образуются в присутствии топологического проводника — материала, обладающего проводимостью только по поверхности. Для создания кубитов на основе майорановских фермионов был предложен модернизированный классический джозефсоновский переход — структура, состоящая из двух сверхпроводников с изолятором между ними. Однако вместо второго сверхпроводника использовался топологический материал.

В случае с квантовым процессором Microsoft Majorana 1 применялась комбинация арсенида индия и алюминиевых проводов. Кубиты имеют форму буквы H, на каждом её конце в ловушках располагается по одному фермиону Майораны, представленному группой электронов. Такая конструкция обещает простое масштабирование, схожее с изготовлением транзисторов на полупроводниковых кристаллах. В настоящий момент процессор Majorana 1 содержит лишь восемь таких кубитов, однако к 2030 году Microsoft планирует увеличить их число до нескольких сотен, а в перспективе выпустить чип с миллионами кубитов всего за несколько лет, а не десятилетия.

«Мы сделали шаг назад и сказали: "Хорошо, давайте изобретём транзистор для квантовой эпохи. Какими свойствами он должен обладать?" — рассказал Четан Наяк (Chetan Nayak), технический сотрудник Microsoft. — Именно так мы пришли к нашему решению. Именно сочетание, качество и важные детали в новом наборе материалов позволили создать новый тип кубита и, в конечном счёте, всю нашу архитектуру».

Новая квантовая платформа Microsoft требует криогенного охлаждения и взаимодействия с классическими компьютерами для обработки квантовой информации. Казалось бы, в этом нет ничего нового. Прорывом стало использование топологических материалов — так называемых топопроводников (topoconductors), а также работа с квазичастицами майорановских фермионов. В Microsoft смогли разработать архитектуру, способную с высочайшей точностью регистрировать характеристики квазичастиц (определяя один электрон из миллиона) и управлять их состоянием.

Пока нельзя сказать, насколько квазичастицы фермионов Майораны будут полностью соответствовать свойствам гипотетических майорановских фермионов. В идеальном случае эти частицы должны быть чрезвычайно устойчивы к внешним воздействиям и защищены от ошибок — главной проблемы современных квантовых платформ. Если всё пойдёт по плану Microsoft, то уже к середине 2030-х годов у нас появится универсальный, помехоустойчивый квантовый компьютер, который совершит революцию в сфере сложных вычислений.

Чувствительность кубитов к шумам вносит неконтролируемые ошибки в квантовые вычисления, что не позволяет запускать сложные алгоритмы. Чтобы улучшить ситуацию исследователи Университета МИСИС на основе нейросетей создали самообучающуюся систему поиска и исправления ошибок. Разработка сочетает преимущества интеллектуальных и классических алгоритмов, поэтому эффективнее распознаёт ошибки по мере наращивания числа кубитов, что является ключевой задачей.

Источник изображения: ИИ-генерация DALL·E/3DNews

«Современные устройства совершают ошибки во многом из-за взаимодействия квантовой системы с её окружением. При этом даже небольшие погрешности критичны при масштабных вычислениях, так как искажение результата накапливается с каждой операцией. Повышение точности — одна из ключевых задач в развитии квантовых технологий», — сообщил директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС Алексей Фёдоров.

Предложенный учёными метод опирается на архитектуру рекуррентных нейронных сетей, которая анализирует временные ряды данных. Эти ряды извлекаются в процессе периодического измерения вспомогательных кубитов. Что особенно ценно, эта особенность позволяет алгоритму работать с различными кодами коррекции.

Исследователи протестировали алгоритм на семействе циклических кодов коррекции с учётом топологических особенностей квантового процессора на сверхпроводящих кубитах. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review A (Q1). Также статья доступна на сайте препринтов arXiv. Это её третья редакция.

«Главное преимущество разработки заключается в способности обучаться на данных, полученных с конкретного устройства. Это особенно важно в условиях, когда характер ошибок отличается от теоретически предполагаемых моделей. Кроме того, предложенный алгоритм декодирования не зависит от конкретного кода коррекции, что делает его универсальным и легко масштабируемым», — сообщил автор исследования Илья Симаков, инженер научного проекта лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий НИТУ МИСИС, научный сотрудник Российского квантового центра.

Как и классические компьютеры, квантовые вычислители рано или поздно потребуют кластерных конфигураций или распределённых вычислений. Практика показывает, что таким образом проще увеличить вычислительные ресурсы, чем локально масштабировать одну систему. Реализовать передачу квантовых данных можно по классическому каналу, но это обычно приводит к увеличению ошибок. Намного надёжнее было бы телепортировать состояния, благо квантовая физика это допускает.

Типичный квантовый процессор на ловушках ионов. Источник изображения: NIST

Сразу уточним, что квантовая телепортация не передаёт энергию и информацию. С её помощью передаётся квантовое состояние, например направление спина электрона или атома (иона). Поскольку до измерения спина (или других квантовых состояний объекта) на передающем конце ничего нельзя знать заранее, для принимающей стороны передача не будет нести смыслового наполнения. Однако если телепортацию включить в вычислительный процесс, то некоторое (бессмысленное при всех прочих условиях) промежуточное состояние, полученное на одной платформе, может быть телепортировано для продолжения вычислений на удалённой платформе.

Ранее квантовая телепортация при выполнении вычислений была реализована в рамках одного «чипа». Учёные из Оксфордского университета (Oxford University) наскоро собрали две разнесённые квантовые платформы на кубитах из ионов, чтобы проверить возможность распределённых вычислений с использованием эффекта квантовой телепортации. «Компьютеры» находились друг от друга на расстоянии двух метров, но могли располагаться в разных комнатах или даже дальше. В конце концов, это лишь вопрос стоимости лабораторного оборудования.

В качестве кубитов были использованы спаренные ионы кальция и стронция — каждая пара в своей ловушке, играющей роль компьютера. В таком кластере ионы кальция служили локальной памятью, а ион стронция работал как передатчик и, на другом конце, как приёмник квантового состояния. Оба иона стронция запутывались фотонами через оптический кабель, после чего вся система начинала работать как единое целое.

До установления запутанного состояния система оставалась в исходном состоянии. Но как только происходило запутывание, ион стронция испускал фотон, что сигнализировало о готовности системы к вычислениям. Представленная установка позволяла реализовать простейшую логическую операцию CZGate (контролируемый Z). Это один из базовых квантовых вентилей (гейтов), поэтому алгоритм для кластерных вычислений в принципе может быть любым.

Эксперименты показали, что точность вычислений при телепортации промежуточного результата от кубита к кубиту составила 70 %, но лишь из-за использования недорогого оборудования для ловушек ионов. С точки зрения одной лишь телепортации точность достигла 97 %. Это ощутимо ниже точности многих современных квантовых платформ, но уже некий результат, с которым можно продолжать работу.

При правильной комбинации операций телепортации возможно воссоздать полный набор логических квантовых элементов. Другими словами, можно создать универсальный квантовый компьютер, способный выполнять любой квантовый алгоритм, просто используя телепортацию. Тем самым термин «врата телепортации» может уверенно перекочевать из научной фантастики в нашу жизнь, пусть и не так, как мечталось.

В настоящее время в мире нет единого мнения по поводу того, когда кантовые вычисления станут практичными. Прогнозы варьируются от нескольких лет до десятилетий. Google планирует выпустить коммерческие квантовые вычислительные приложения в течение ближайших пяти лет, сообщил Reuters глава квантового подразделения Google Хартмут Невен (Hartmut Neven). В то же время в Nvidia считают, что до практического использования квантовых систем пройдёт ещё порядка 20 лет.

Источник изображения: Google

«Мы оптимистично настроены и считаем, что в течение пяти лет увидим реальные приложения, которые возможны только на квантовых компьютерах», — заявил основатель и руководитель подразделения Google Quantum AI Невен.

Практическое применение квантовых вычислений, о котором говорит Google, связано с материаловедением, включая создание ёмких и долговечных аккумуляторов для электромобилей, разработку новых лекарств и, возможно, альтернативных источников энергии.

Ситуация с квантовыми вычислениями, которые позволят на порядок ускорить обработку данных по сравнению с нынешними суперкомпьютерами, напоминает историю развития искусственного интеллекта. До запуска ИИ-чат-бота ChatGPT в 2022 году технологиями искусственного интеллекта занимались в основном учёные. Они работали над ИИ, совершали открытия и технологические прорывы, чтобы ускорить внедрение, но не имели чёткого понимания, когда ИИ выйдет на стадию коммерческого использования.

Глава Nvidia Дженсен Хуанг (Jensen Huang) в январе на выставке CES 2025 в Лас-Вегасе предсказал, что практическое применение квантовых компьютеров начнётся примерно через 20 лет. После этого прогноза несколько компаний, работающих в сфере квантовых вычислений, потеряли в общей сложности $8 млрд рыночной стоимости.

Google занимается квантовыми вычислениями с 2012 года и уже создала несколько квантовых чипов. В декабре прошлого года компания представила квантовый процессор Willow со 105 сверхпроводящими кубитами.

Канадский стартап Xanadu, ранее отметившийся совместной работой с Nvidia над квантовыми симуляторами, сообщил о создании вычислительной квантовой системы на фотонах. Квантовое оборудование на фотонах можно использовать при комнатной температуре и размещать в обычных серверных стойках. Создав базовый набор стоек ничто не мешает произвести тысячи таких систем, что уже в ближайшей перспективе позволит изготовить квантовый вычислитель с миллионом кубитов.

Источник изображения: Nature 2025

Сделанное компанией Xanadu Quantum Technologies заявление означает, что имеющий практическую ценность квантовый компьютер не за горами. Сама компания надеется представить квантовый вычислитель с миллионом кубитов уже к 2029 году. Ни одна серьёзная компания в сфере разработки квантовых компьютеров ещё не позволяла себе давать столь смелые обещания. Остаётся надеяться, что Xanadu хотя бы попытается его выполнить.

В опубликованной на днях в журнале Nature работе специалисты Xanadu рассказали, на чём строится работа их системы и как она будет выглядеть. Комплект под названием Aurora представлен четырьмя стандартными серверными стойками, что, безусловно, намного удобнее и практичнее использования криогенных камер для сверхпроводящих кубитов. В одной стойке собраны лазерная система для формирования опорного и модулирующего лучей, а также оптическая система для их распределения и управления ими.

Следует сказать, что квантовые «оптические чипы» Xanadu оперируют физическими состояниями лазерных лучей, учитывая их рекомбинацию и сложение. В конечном итоге результатом вычисления алгоритма будет количество фотонов в лазерном луче на выходе из системы. Однако здесь есть важный нюанс, который Xanadu не акцентирует: хотя сам вычислительный комплекс действительно работает при комнатной температуре, датчики, подсчитывающие фотоны в результирующем луче, охлаждаются до криогенных температур. Для этого в соседней со стойками комнате размещено специальное холодильное оборудование, без которого система функционировать не сможет.

На данный момент в общей сложности в трёх вычислительных стойках задействовано 35 чипов, образующих массив из 12 кубитов для запуска алгоритма. В своей работе Xanadu не раскрывает механизмов коррекции ошибок — самого слабого места квантовых вычислений. Однако компания уверенно заявляет, что её платформа легко масштабируется до миллионов кубитов. В нижней части стоек расположены оптические цепи для связи между стойками, что позволяет соединять тысячи таких модулей. По сравнению с усилиями конкурирующих компаний этот процесс масштабирования выглядит значительно проще.

В Xanadu признают, что предложенное ими решение далеко от совершенства. В частности, в процессе обработки теряется часть света (фотонов), что ведёт к увеличению частоты ошибок. Тем не менее компания обещает совершенствовать платформу и не теряет надежды создать имеющий практическую ценность квантовый компьютер к 2029 году.

Для квантовых вычислений классические методы коррекции ошибок не подходят. Причина кроется в квантовой механике, которая на базовом уровне не позволяет фиксировать промежуточные результаты для дальнейшего сравнения. Новые методы коррекции ошибок частично справляются с этой задачей, но имеют множество ограничений. Учёные из Австрии смогли реализовать механизм коррекции ошибок с подключением двух разных алгоритмов, чем повысили точность расчётов.

Источник изображения: Helene Hainzer/University of Innsbruck

Промежуточные квантовые состояния кубитов, задействованных в расчётах, нельзя, например, сохранить для проверки чётности. Поэтому из нескольких физических кубитов создают один логический кубит, при этом часть физических кубитов в составе логического кубита запутывают определённым образом. Это позволяет отслеживать ошибки без разрушения цепочки вычислений и корректировать их.

Основная сложность заключается в том, что для разных групп логических элементов (гейтов) требуются различные коды коррекции. Учёные из Университета Инсбрука (University of Innsbruck) разработали методику, позволяющую переключать квантовый компьютер с одного оптимального кода на другой в процессе выполнения вычислений. Это значительно снизило частоту ошибок.

Свою методику исследователи испытали на квантовом компьютере с ловушками ионов. Компьютер состоял из 16 кубитов, из которых были созданы две независимые логические цепи. Каждая цепь обрабатывалась оптимальным для неё кодом коррекции ошибок. Переключение между логическими цепями происходило без возникновения ошибок, что подтвердило возможность использования двух независимых кодов в рамках одного вычислительного цикла.

В перспективе эта методика упростит исправление ошибок при масштабировании вычислений, экономно расходуя физические кубиты, которых никогда не будет много.

Акции компаний, работающих в сфере квантовых вычислений, скатились вниз после того, как глава Nvidia Дженсен Хуанг (Jensen Huang) заявил, что ожидания рынка от квантовых вычислений слишком велики. По его мнению, до создания полезного квантового компьютера может пройти 15–30 лет. Точку зрения главы Nvidia разделяют не все эксперты.

Источник изображений: Nvidia

«Если бы вы сказали [что осталось ждать] 15 лет до появления полезных квантовых компьютеров, это, вероятно, было бы преуменьшением. Если бы вы сказали 30 лет, то, вероятно преувеличили бы. Но если бы вы выбрали 20 лет, я думаю, многие из нас поверили бы в это», — заявил Хуанг во время беседы с журналистами, отвечая на вопрос о перспективах дальнейшего роста технологий квантовых вычислений.

На этом фоне акции компаний, связанных с квантовыми вычислениями, обвалились. Так ценные бумаги Rigetti Computing подешевели на 40 %, акции IonQ потеряли в цене 37 %, а D-Wave Quantum — более 30 %. Компания Quantum Computing, которая недавно объявила о размещении акций для привлечения $100 млн, подешевела на 37 %.

«Поскольку оценки стали несколько завышенными, мы не увидели сегодняшней коррекции. Широкий консенсус уже давно говорит о том, что до начала массового применения квантовых вычислений ещё много лет, поэтому сегодняшние негативные новости не имеют под собой никакой реальной основы», — считает генеральный директор AXS Investments Грег Бассук (Greg Bassuk).

Генеральный директор D-Wave Quantum Алан Барац (Alan Baratz) уверен, что Дженсен Хуанг ошибается в своих оценках перспектив рынка квантовых вычислений. «Причина, по которой он ошибается, заключается в том, что мы в D-Wave уже сегодня занимаемся коммерцией. Не через 30 лет, не через 20 лет, не через 15 лет, но прямо сейчас, сегодня», — заявил Барац во время беседы с журналистами CNBC. Он также добавил, что разные компании, включая Mastercard и японскую NTT Docomo, «сегодня используют наши квантовые компьютеры в производстве для улучшения своих бизнес-операций». При этом D-Wave продолжает получать минимальную выручку. Продажи компании в последнем квартале упали на 27 % до $1,9 млн относительно аналогичного периода годом ранее.

В конце 2024 года вырос интерес инвесторов к квантовым вычислениям, чему способствовал анонс квантового процессора Google Willow. На этом фоне подскочила стоимость акций многих компаний, работающих в данном сегменте. К примеру, ценные бумаги Rigetti и D-Wave подорожали в сумме на 1449 % и 854 % соответственно.