Учёные Бостонского университета и сотрудники канадской D-Wave в журнале Nature опубликовали статью, которая убедительно доказывает практическую ценность квантовых компьютеров компании. Коммерческая система D-Wave Advantage из 5000 кубитов обеспечила симуляцию особого состояния материи — спинового стекла. Для классических компьютеров такие задачи неподъёмные, а учёные мечтают выйти за пределы известного. Квантовые системы им это дают.

Источник изображений: D-Wave

Компания D-Wave выпускает особый класс квантовых компьютеров. Кубиты в системах D-Wave совсем не такие, как в системах Google, IBM или у российских платформ. Основная масса разработчиков пытается создавать многокубитные системы, в которых квантовая запутанность реализуется, скажем так, по-честному, когда запутанные кубиты имеют ту или иную квантовую величину (характеристику) в одинаковом состоянии.

Пока кубиты когерентны (согласованы) проводятся вычисления или, точнее, симуляции. Это очень хрупкое состояние и длится оно единицы миллисекунд. Много кубитов таким образом не свяжешь. Сегодня это от 20 до 50 кубитов в системах IBM. Канадцы же ещё на старте в 2011 году представили 128-кубитовую платформу и сегодня предлагают уже 5000-кубитовую. Им мало кто верил, пока в 2012 году систему D-Wave не купила Lockheed Martin. В 2013 году вышла первая статья, доказывающая работу квантовых платформ компании, и вскоре их системы были куплены Google и NASA.

В платформах D-Wave когерентное состояние кубитов поддерживается иным образом, а именно с помощью известного явления квантового туннелирования. Вместо того, чтобы удерживать запутанность кубитов платформа D-Wave приводится в состояние когерентного (согласованного) возбуждения всех кубитов, после чего она оставляется в покое и кубиты естественным образом переходят в состояния энергетического минимума. Начальное состояние возбуждения программируется, поэтому в состоянии установившегося покоя (в процессе так называемого отжига) итоговое минимальное энергетическое (физическое) состояние системы — это готовый ответ на поставленную задачу. Фактически — это решение задач той или иной оптимизации.

В свежем исследовании учёные из Бостона и специалисты D-Wave показали, что производительность её квантового компьютера Advantage на 5000 кубитов значительно выше, чем у классических систем при решении задач 3D оптимизации спинового стекла — трудноразрешимого класса задач оптимизации. Эта работа также представляет собой крупнейшее программируемое квантовое моделирование, о котором сообщалось до сих пор.

D-Wave Advantage на 5000 кубитов

В сентябре прошлого года подобные вычисления были проведены на 2000-кубитовой системе D-Wave. Повторение работы в новом масштабе доказывает возможность трансляции когерентных процессов на расширенные процессы при решении задач оптимизации.

«Это исследование знаменует собой значительное достижение для квантовой технологии, поскольку демонстрирует вычислительное преимущество перед классическими подходами для трудноразрешимого класса задач оптимизации, — сказал д-р Алан Барац (Alan Baratz), генеральный директор D-Wave. — Для тех, кто ищет доказательства непревзойденной производительности квантового отжига, эта работа предлагает окончательное доказательство».

В статье в журнале Entropy группа российских учёных из НИТУ МИСИС и Российского квантового центра привели примеры квантовых вычислений на кудитах, которые резко выигрывают на фоне кубитов. Кудиты способны на порядок и даже больше улучшить качество квантовых алгоритмов. Всё что нужно для этого — это новая математика, с чем в российской науке умеют работать.

Источник изображения: НИТУ МИСИС

Разработчики квантовых систем в лице Google, IBM и других компаний пошли по проторенному пути, который гарантирует повышение производительности за счёт обычного увеличения числа кубитов — наименьшей единицы информации и элементарного вычислительного элемента квантового компьютера. У России, похоже, другой путь — это многоуровневые кубиты или кудиты. Математика сложнее, но зато можно запускать квантовые алгоритмы на намного меньшем количестве квантовых элементов. Это как с памятью 3D NAND — чем сложнее структура, тем больше бит можно записать в ячейку, и это работает!

В качестве квантовых вычислительных элементов в России выбрали ионы (атомы). Ионы могут работать не только как кубиты, но и как кудиты, которые являются расширенной версией кубита и могут находиться в трёх (кутриты), четырёх (кукварты), пяти (куквинты) и более состояниях. На днях такая платформа не просто была показана в работе, а была запущена для вычислений через облачный интерфейс.

Как и с памятью 3D NAND, дополнительные состояния кудитов позволяют плотнее кодировать данные в физических носителях, а это прямая возможность реализовывать всё более сложные и комплексные квантовые алгоритмы без усложнения вычислительной архитектуры. Это ведёт к возрастанию мощности квантового процессора «на ровном месте» со значительным ускорением выполнения операций. Так, один куквинт заменяет два классических двухкубитовых вентиля и один вспомогательный уровень, что было показано в работе на примере запуска квантового алгоритма Гровера для поиска по неупорядоченной базе данных.

«Куквинты хороши тем, что их пространство можно рассматривать как пространство двух кубитов с общим дополнительным уровнем. Такое рассмотрение помогает одновременно и сократить число физических носителей информации [кубитов], и использовать дополнительный уровень в качестве вспомогательного состояния для упрощения декомпозиции многокубитных вентилей или как их еще называют — гейтов — сложных логических операций с кубитами. Благодаря этому подходу при реализации квантовых алгоритмов на куквинтах становится возможным сократить число двухчастичных гейтов, т.е. задействующих две физические системы», — рассказал заведующий лабораторией квантовых информационных технологий НИТУ МИСИС Алексей Федоров.

В конкретном примере учёные представили эффективную модель декомпозиции обобщенного вентиля Тоффоли (обобщенную на n кубитов версию вентиля контролируемое НЕ). Используя только этот вентиль, можно построить любую обратимую классическую логическую схему, например, арифметическое устройство или классический процессор.

Оказалось, что по сравнению с кубитами реализация алгоритма на куквинтах при большом числе (>5) задействованных в алгоритме кубитов требует на порядок меньше двухчастичных гейтов. В частности, для 8-кубитного алгоритма Гровера на кубитах требуется выполнить больше 1000 двухчастичных гейтов, в то время как для его реализации на куквинтах их потребуется всего 88. Выигрыш колоссальный и это можно с успехом развивать и применять не только к кубитам на ионах, но также на других физических носителях, например, на сверхпроводящих или спиновых кубитах.

Не секрет, что квантовые вычисления крайне зависимы от состояния среды. Квантовые состояния кубитов страдают от вибраций, космических частиц, теплового движения молекул, электромагнитных полей и других потенциальных воздействий. Точно рассчитать уровень воздействия шума на кубиты — это значит оптимально настроить систему на работу, к чему приблизились учёные из США и Нидерландов.

Источник изображения: Pixabay

Исследователи из Инженерного колледжа Корнеллского университета и Университета Амстердама вывели формулу, которая предсказывает влияние шума окружающей среды на квантовую информацию — это крайне важное достижение для проектирования и создания квантовых компьютеров, способных работать в нашем несовершенном мире. В частности, шум непредсказуемым образом изменяет фазу различных составляющих волновой функции. Этот процесс изменения фазы квантовой системы называется дефазировкой, и он может негативно сказаться на квантовых вычислениях.

Новое исследование точно определяет, сколько избыточности необходимо добавить в квантовое сообщение, чтобы защитить его от дефазинга. Фактически учёные могут теперь количественно оценить влияние шума на квантовые вычисления и разработать методы преодоления этого влияния. Детально процесс проанализирован в статье в журнале Nature Photonics. В целом работа посвящена передаче квантовой информации по оптическим каналам связи, но может быть расширена до исследования других методов работы с квантовой информацией.

Сегодня группа физиков из Российского квантового центра и ФИАН им. П. Н. Лебедева РАН продемонстрировала возможность удаленного подключения к отечественному ионному квантовому компьютеру. С помощью web-интерфейса с обычного ПК были запущены ключевые квантовые алгоритмы. Удалённая квантовая система выполнила расчёт и вернула ответ, что обещает в скором будущем реализацию множества независимых проектов с использованием квантовых систем.

Источник изображения: Фонд НТИ

Важно сразу отметить, что российский квантовый компьютер сильно отличается от платформ IBM, Google и похожих на сверхпроводящих кубитах. В основе российской квантовой платформы лежат многоуровневые кубиты или точнее кудиты на ловушках ионов. Проект стартовал в 2020 году при поддержке Фонда НТИ и Минцифры. В 2021 году был представлен четырёхкубитовый прототип, а ещё год спустя — пятикубитовая или, точнее, пятикудитовая платформа.

Ку(d)ит — это кубит с суперпозицией из более чем двух логических состояний (d). Одновременно это может быть не только 0 и 1 как для классических квантовых платформ, а целый спектр значений, благо квантовая теория предполагает равновероятностное существование всех значений между 0 и 1. Тем самым кудит как ячейка памяти 3D NAND может быть двух-, трёх- и многоуровневым, что повышает разрядность каждого вычислительного элемента. При должной чувствительности 5-кудитовый российский квантовый компьютер может превзойти по мощности десятикратно и более превосходящий его квантовый компьютер на кубитах.

Разработка аппаратной платформы, что важно, непрерывно сопровождалась созданием пакета программного обеспечения, чем все эти два года занимались специалисты Сколтеха и ФТИАН им. К. А. Валиева РАН.

«Разработанный в рамках проекта ЛИЦ программно-аппаратный комплекс уникален для России — это единственный процессор с настроенным облачным интерфейсом, который способен оперировать кудитным регистром. Результат проекта представляет высокий научный потенциал для развития российской отрасли квантовых вычислений», — отметил генеральный директор Фонда НТИ Вадим Медведев.

В ходе демонстрации возможностей интерфейса группе экспертов Фонда НТИ был проведён запуск ряда критически важных квантовых алгоритмов. В частности, учёные удалённо запустили на процессоре алгоритм Гровера, используемый для поиска значения по неупорядоченной базе данных, а также алгоритм Бернштейна-Вазирани, применяемый в решении задачи по нахождению n-битного числа. Точность однокубитных операций достигла 90 %, а двухкубитных — 80 %.

На новом этапе команда начала работу над тестированием нового класса вариационных квантовых алгоритмов, которые представляют большой интерес для прототипирования прикладных задач из области химии, оптимизации и машинного обучения. О готовности предоставить платформу в открытый доступ пока не сообщается.

Любые кажущиеся нам случайными события далеко не случайны. Мы не можем на них повлиять, но способны проанализировать и найти первопричину того или иного происшествия. В обычной жизни это мало на что влияет, но для ряда приложений, например, в криптографии, случайности играют определяющую роль. Если они поддаются анализу и предсказанию — метод шифровки можно выбросить в мусорное ведро. Но где искать настоящий и непредсказуемый случай?

Источник изображения: Pixabay

Настоящая случайность всегда под рукой, и она лежит в основе нашего мироздания. Согласно квантовой теории поля, вакуум постоянно рождает случайные пары частиц и античастиц. Это по-настоящему случайные события, которые подчиняются принципу неопределённости Гейзенберга. Это изначально вероятностные объекты, все свойства которых мы не можем одновременно измерить и предсказать. Это та монетка, которую как ни подбрасывай, никакой статистически значимой вероятности выпадения мы никогда не создадим.

Использовать рождение виртуальных частиц в «квантовой пене» смогли учёные из институтов Бельгии, Дании и Италии. Они создали сравнительно компактный прибор для генерации каждую секунду 100 Гбит случайных данных. Каждый бит в этом потоке — это случайная виртуальная частица квантового поля.

Появление виртуальных частиц давно фиксируется тем или иным способом. Они проявляются в нюансах работы лазеров и в рассеивании их света на разных химических соединениях. Учёные давно ищут надёжный метод фиксации виртуальных частиц без сложного и громоздкого оборудования. В повседневной жизни такое нельзя использовать.

В новой работе в журнале PRX Quantum международная группа учёных предложила устройство на базе интегрированного гомодинного детектора, который обеспечивал детектирование виртуальных частиц в несколько раз быстрее аналогов и делал это без значительного количества дополнительного оборудования. Изюминкой разработки стало решение по снижению помех. Оно детектировало источник потенциальных помех и учитывало его влияние на датчик виртуальных частиц, чем резко повысило чувствительность для детектирования квантовых явлений.

В итоге получилась платформа на чипе, способная надёжно выдавать случайные числа для всех нужд шифрования и не только. Найдётся ли этому немедленно практическое применение, учёные предсказать не берутся, но учитывая растущие опасения взлома шифровок квантовыми платформами, потребность в настоящей случайности давно созрела.

Агентство Nikkei сообщило, что в понедельник в Японии запустили первый квантовый компьютер отечественной разработки. Установку спроектировали и построили институт RIKEN и компания Fujitsu. Квантовая система может оперировать 64 кубитами, что намного больше ранее размещённого в Японии квантового компьютера IBM на 27 кубитах. Желающих воспользоваться системой через облачный доступ оказалось так много, что пришлось вводить очередь.

Источник изображения: Tomoki Mera \ asia.nikkei.com

Японские компании сильно отстали от США и даже от Китая в разработке квантовых технологий. Несколько лет назад правительство Японии предприняло ряд мер организационного порядка и немного помогло с финансированием, чтобы процесс начал набирать силу. Компания Fujitsu и институт RIKEN были среди тех, кто начал совместную работу над принципиально новыми вычислительными системами. Они пообещали и достигли первого этапа в работе — представили отечественную 64-кубитовую вычислительную платформу. В 2025 году партнёры обещают запустить 100-кубитовый вычислитель, а ещё год спустя — 1000-кубитовый.

«Крупные зарубежные игроки, такие как Google, могут казаться лидерами в этой области, но у нас есть место для конкуренции», — сказал Синтаро Сато (Shintaro Sato), глава квантовой лаборатории Fujitsu.

В то же время нигде в мире пока нет ясного понимания, как и для каких задач лучше всего использовать квантовые вычислители. RIKEN и Fujitsu также будут прорабатывать эти вопросы. В частности, RIKEN займётся прикладной частью вместе с японскими предприятиями и университетами, а Fujitsu будет изучать возможные приложения совместно с Fujifilm и Tokyo Electron.

Распространено мнение, что квантовые вычисления могут ускорить разработку новых материалов в десять раз, в том числе в областях, имеющих решающее значение для декарбонизации, таких как батареи для электромобилей и искусственный фотосинтез.

Несколько лет назад пионером в исследованиях по использованию квантовых вычислений для разработки материалов для батарей стала Mitsubishi Chemical Group. Как и компании Toyota Motor и Sony Group, тоже заинтересованные в разработке новых технологий и материалов, Mitsubishi воспользовалась услугами 27-кубитового компьютера IBM, развёрнутого в 2021 году в Кавасаки. Можно не сомневаться, что более мощная отечественная квантовая система в полной мере будут востребована этими и другими компаниями. Это будущее, которое уже наступило. Упускать из рук такое нельзя.

NVIDIA сообщила о выпуске первой в мире системы на базе GPU с блоком сопряжения с квантовыми вычислителями. Система DGX Quantum обеспечит гибридные квантово-классические вычисления на основе программной платформы CUDA Quantum с открытым кодом. Фактически компания представила простой и понятный для использования программно-аппаратный интерфейс, объединяющий классические и квантовые компьютеры. Работать с кубитами станет легче.

Источник изображения: NVIDIA

Блок управления кубитами представила молодая израильская компания Quantum Machines. На изображении его нетрудно обнаружить по двум рядам коаксиальных разъёмов. Условно блок можно представить как контроллер кубитов. В идеальном случае он должен устанавливаться в один блок с кубитами, которыми он будет управлять по командам от GPU-ускорителя, но пока это невозможно осуществить — электроника просто не выдерживает криогенных температур.

Значительным достоинством блока управления Quantum Machines OPX+ является его универсальность. Блок адаптирует сигнальную структуру для работы (чтения, записи, калибровки) с очень широким спектром кубитов — от криогенных, до нейтральных атомов, вакансий (дефектов) в кристаллах, ионных ловушек и других. Решение поистине универсальное и позволит избежать проблем специалистам в процессе создания гибридных вычислителей.

Со стороны NVIDIA в систему DGX Quantum вложено новейшее решение Grace Hopper в виде сочетания Arm-процессора и ускорителя вычислений H100. Вместе с Quantum Machines OPX+ платформа обеспечит запуск гибридных ресурсоёмких алгоритмов, обещая низкие задержки и высочайшую производительность там, где классические системы спасуют.

Вишенкой на торте можно считать программную платформу CUDA Quantum. Она позволит людям разбираться с гибридными и квантовыми алгоритмами, не имея за плечами степени по квантовой механике. Платформу уже пообещали взять на вооружение компании Anyon Systems, Atom Computing, IonQ, ORCA Computing, Oxford Quantum Circuits и QuEra, а также компании по разработке квантового ПО Agnostiq и QMware и суперкомпьютерные центры Национальный институт передовой промышленной науки и технологии, Центр ИТ науки (CSC) и Национальный центр суперкомпьютерных приложений (NCSA).

«Мы движемся к новой эре квантовых вычислений, которые доступны большему числу исследователей, чем когда-либо, — сказал Итамар Сиван (Itamar Sivan), соучредитель и генеральный директор Quantum Machines. — Наше сотрудничество с NVIDIA по системе DGX Quantum позволит новому поколению новаторов решить некоторые из величайших мировых проблем».

Сообщается, что молодые ученые МФТИ первыми в России экспериментально реализовали работающий алгоритм квантового обучения в цепочке сверхпроводящих кубитов. Алгоритмы машинного обучения — это непросто само по себе, а их запуск на кубитах — это совсем иной уровень проблематики. Тем не менее, квантовая нейросеть показала практическую пригодность к решению сложных классических задач с высокой точностью, что также подтолкнёт к покорению новых вершин.

Источник изображения: МФТИ

«Мы нашли удачную структуру квантовой цепочки и алгоритм обучения, который позволяет нам достичь точности 94 % для стандартных задач классификации с несколькими метками и точности 90 % при распознавании рукописных десятичных цифр. Точность и стабильность алгоритма подтверждаются методом перекрестной проверки. Квантовая модель достаточно быстро обучается благодаря возможности эффективного вычисления градиента с использованием необычных свойств квантовых операций», — рассказал Алексей Толстобров (выше на фото), соавтор исследования, сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ.

Мы довольно давно слышим о машинном обучении и к настоящему времени в этой сфере достигнуты впечатляющие результаты. Взять хотя бы ставший популярным ИИ-бот ChatGPT на большой языковой модели GPT. Но у классических компьютеров (суперкомпьютеров) есть свои и довольно ощутимые пределы, преодолевать которые индустрия намеревается с помощью квантовых систем. Работа российских учёных показывает, что квантовые вычислители или, вернее, симуляторы вполне способны создавать обучаемые нейросети и выполнять алгоритмы, что когда-нибудь позволит сделать прорыв в сфере машинного обучения.

Забавно, но сегодня всё больше причин считать, что вычислительная работа головного мозга в своей основе имеет квантовые явления. Может так статься, что в будущем настоящий ИИ будет построен только на квантовой самообучающейся нейросети, что, как считают специалисты, станет концом человечества, но это уже другая история.

Возвращаясь к работе команды физиков МФТИ, уточним, что она провела цикл экспериментов с моделью гибридного классификатора, работу которой ускорил квантовый симулятор. Симулятор же представлял собой цепочку из нескольких сверхпроводящих кубитов. Модель была обучена решать задачи классификации и распознавания изображений. В частности, решались задачи чётности, обнаружения меток рака молочной железы («есть/нет») и типологии различных вин (многозначная классификация по десятку параметров). Помимо этого, было продемонстрировано решение задачи распознавания рукописных изображений цифр.

На следующем этапе учёные увеличат количество кубитов в квантовом симуляторе, что даст возможность решать более сложные задачи классификации, а также протестируют способность системы решать задачи регрессии и, наконец, попытаются перейти от классических данных к квантовым.

Специалисты компании HRL Laboratories опубликовали в журнале Nature статью, в которой рассказали об эксперименте по управлению кремниевыми спиновыми кубитами. Решение оказалось удивительно удобным и способным подтолкнуть науку вперёд к созданию универсального квантового компьютера. Это не готовая к внедрению разработка, но вполне чёткий план действий, каждый этап реализации которого сегодня полностью осуществим.

Источник изображения: HRL Laboratories

Большинство предложенных сегодня схем воздействии на кремниевые спиновые кубиты и другие варианты кубитов опираются на микроволновое излучение. Отправка радиосигнала на резонансной частоте меняет квантовые состояние кубитов либо производит их считывание. Было бы гораздо удобнее, если бы непосредственно влияющие на кубиты управляющие сигналы посылались как в современной электронике — импульсами напряжения. Именно подобную реализацию предложили исследователи из HRL Laboratories. И не просто предложили, а создали макет установки и оценили её способность управлять закодированными кубитами — спинами кремниевых кубитов.

Решение представляет собой изготовленные на обычном фабричном техпроцессе квантовые точки, к которым подведены электроды. Квантовая точка — это соединение кремния и кремния-германия (Si/SiGe). Каждая квантовая точка захватывает электрон, направление спина которого кодируется напряжением на электроде. Учёные показали, что точно выверенное напряжение с высокой частотой, подающееся на электроды между квантовыми точками (кубитами) позволяет влиять на направление закодированных спинов и эти изменения можно фиксировать.

Фактически учёные показали устройство логики для квантовых вычислений, хотя до работающих алгоритмов всё ещё далеко. Тем не менее, предложенное решение показало хорошее время когерентности и устойчивость ко многим внешним воздействиям и целому списку ошибок, характерных, в частности, для метода микроволнового воздействия на кубиты. В отличие от всех других популярных кубитов, уверены разработчики, в их схеме нет непреодолимых барьеров — всё постепенно решается, тогда как у других кубитов есть, как минимум, какое-то одно несокрушимое пока препятствие.

«Трудно определить лучшую технологию создания кубитов, но я думаю, что кремниевые кубиты с обменом являются, по крайней мере, наиболее сбалансированными, — сказал Таддеус Лэдд (Thaddeus Ladd), руководитель группы HRL и соавтор статьи. — Остаются реальные задачи по улучшению ошибок, масштаба, скорости, однородности, перекрестных помех и других аспектов, но ни один из них не требует чуда. Для многих других видов кубитов есть, по крайней мере, один аспект, который все еще выглядит очень, очень трудным».

Исследователи Google опубликовали в Nature статью, в которой сообщили о прорыве в исправлении ошибок в вычислениях квантовых компьютеров. В опытах на реальной системе из 72 кубитов был получен результат, теоретическое масштабирование которого на систему из миллиона кубитов обещает добиться безошибочных расчетов любой сложности. Фактически команда Google обосновала возможность практического использования квантовых компьютеров.

Источник изображения: Pixabay

Ранее Google уже садилась в лужу с заявлениями о достижениях в области квантовых вычислений. В 2019 году она заявила, что первой добилась квантового превосходства — за считанные минуты смогла решить на квантовой системе задачу, которую обычный суперкомпьютер IBM решал бы тысячи лет. Упоминание системы IBM было явно неуместно, поскольку эта компания посчитала делом чести защитить себя и быстро опровергла заявление Google. Поэтому сегодня компания повела себя осмотрительно и сообщила о новом прорыве, как о вероятном, но не обязательно достижимом результате.

Итак, о каком прорыве говорит Google? Как известно, квантовые состояния или значения кубитов — квантовых битов — очень неустойчивы и «пугливы». Любой шум от вибраций до тепловых колебаний, радиосигналов и прилетающих из космоса частиц способен разрушить эти состояния. Криогенное охлаждение, экраны, бетонные стены и полы могут продлить устойчивость, но она всё равно очень и очень непродолжительная — не дольше 10-15 мкс. Выход тут только один — корректировать ошибки (потери стабильности и, как следствие, данных) по мере их возникновения хотя бы до завершения работы вычислительных алгоритмов.

Наиболее перспективным сегодня считается коррекция ошибок с помощью поверхностных кодов, когда создаётся двумерная матрица из физических кубитов данных и связанных с ними измерительных кубитов. Измерительных кубитов всегда на один меньше. На них переносятся состояния физических кубитов данных, что позволяет корректировать возникающие в этих состояниях ошибки. Например, для матрицы 3 × 3 будет 9 кубитов данных и 8 измерительных кубитов. Матрица 5 × 5 будет содержать 25 кубитов данных и 24 измерительных кубита для коррекции ошибок.

В каждом случае комбинация кубитов данных и измерительных кубитов будет представлять один логический кубит с коррекцией ошибок. В первом случае примера один логический кубит потребует 17 физических кубитов, а во втором — 49 физических кубитов. Свежая работа команды Google показала, что чем крупнее массив физических кубитов в каждом логическом кубите, тем меньше частота возникновения ошибок при расчетах. Ранее Google уже сообщала о таких выводах и теперь она на практической системе показала, что в случае матрицы 3 × 3 частота возникновения ошибок составляет 3,028 %, а в случае матрицы 5 × 5 она меньше и равна 2,914 %. Из этого учёные делают вывод, что чем больше физических кубитов в каждом логическом кубите, тем меньше вероятность ошибки.

Согласно подсчётам Google, для построения полностью безошибочного квантового компьютера необходимо создавать логические кубиты из тысячи физических кубитов для каждого. Так, практическая ценность ожидается при достижении квантового компьютера объёмом в 1000 логических кубитов, для чего потребуется «всего» один миллион физических кубитов. И это не мечта о далёком будущем, уверены в Google. Это план движения к цели.

Впрочем, скептики из той же IBM напоминают, что при масштабировании любых систем ошибки каждой подсистемы имеют тенденцию накапливаться и не факт, что в случае системы из миллиона кубитов общие ошибки системы не начнут превалировать над способностью платформы корректировать ошибки расчётов.

Хотя экспериментальные квантовые компьютеры приближаются к сотне кубитов, практическая польза от таких систем ожидается лишь после появления устройств из десятков или сотен тысяч кубитов, а то и миллионов. В конечном счёте, всё упирается в масштабирование, а с этим всё довольно плохо. Одно из решений этой проблемы видят британские учёные — это модульный подход, когда квантовые чипы как частички пазла будут простым образом соединяться друг с другом.

Опытная установка для передачи кубитов между отдельными модулями. Источник изображений: University of Sussex

На днях в издании Nature Communications группа британских учёных из Университета Сассекса и выделенной из него компании Universal Quantum сообщила о работе, в ходе которой впервые была показана возможность прямой передачи кубитов (квантовых состояний) между двумя независимыми квантовыми чипами и сделано это с рекордной скоростью и точностью. Причём скорость и точность передачи оказались на порядки выше предыдущих опытов, что даёт надежду на приближение масштабных квантовых вычислителей или симуляторов.

Решение обещает реализовать модульный подход в масштабировании квантовых платформ. Отдельные квантовые чипы устанавливаются один рядом с другим, но не имеют прямых соединений друг с другом. Это чрезвычайно упрощает как архитектуру, так и реализацию масштабных решений. Кубиты едва ли не телепортируются сквозь воздушный зазор между одним чипом и другим. Во всяком случае удалось доказать, что квантовые состояния не разрушаются во время такой передачи и полностью сохраняются, включая загадочную суперпозицию, когда значение кубита равновероятно может быть любым от 0 до 1.

В своём эксперименте исследователи оперировали кубитами на ионах в ловушках. Ионы хорошие кандидаты в кубиты, поскольку время когерентности (сохранения квантовых состояний для проведения расчётов или симуляций) у них одно из самых длительных среди других кандидатов в кубиты. На этом принципе строятся одни из мощнейших на сегодня квантовые системы компании Honeywell и проблема с масштабированием у них стоит очень остро. Количество ловушек для ионов на чипе физически ограничено и без модульного подхода говорить о создании многокубитовых платформ просто не приходится.

Выравнивание двух модулей для передачи квантовых состояний от одних атомов другим

Британская разработка оказалась достаточно перспективной, чтобы компания Universal Quantum получила 67 млн евро от Немецкого аэрокосмического центра (DLR) на создание двух квантовых компьютеров, где они будут использовать представленную технологию. Это крупнейшая сумма, выданная за государственный счёт в виде разовой выплаты какой-либо «квантовой» компании, что даёт надежду на значительную практическую ценность разработки.

Классические компьютеры не подходят для решения новых фундаментальных задач в области физики и не только. В будущем учёным могут с этим помочь универсальные и устойчивые к ошибкам квантовые компьютеры, но такие появятся ещё нескоро. Однако если задачу нельзя просчитать, то почему бы не заняться экспериментами? Аналоговый квантовый симулятор может стать конструктором квантового мира, который поможет вскрывать самую загадочную физику за гранью теории.

Источник изображения: University College Dublin

Исследователи из Стэнфордского университета в США и Университетского колледжа Дублина (UCD) в Ирландии в журнале Nature Physics опубликовали работу, в которой рассказали о создании нового типа высокоспециализированного аналогового компьютера (точнее — симулятора). Учёные представили один элемент такого «компьютера» — два соединенных особым образом наноразмерных металло-полупроводниковых компонента, встроенных в электронную схему (см. фото выше).

Предложенное решение имитирует взаимодействие двух элементарных частиц, в данном случае — атомов и электронов. Имитация настолько глубокая, что модель сохраняет все квантовые свойства атомов от межатомного взаимодействия до физических свойств частиц. Масштабируя платформу — выстраивая вещество атом к атому, как конструктор из кубиков «Лего» — можно добиваться моделирования материи с заданными свойствами и смотреть на её реакцию при взаимодействии с другой материей и на изменение её свойств. Рассчитать такое на масштабной модели сегодня не представляется возможным, а симуляции такое по плечу.

Например, физики-теоретики пока не видят закономерностей для целенаправленного поиска материалов для высокотемпературной сверхпроводимости. Современные компьютеры не могут им помочь в расчётах, тем более что искать приходится вслепую. Моделирование поведения вещества на аналоговых квантовых симуляторах могло бы открыть путь к этому священному Граалю для энергетики и не только. Это позволит отставить теорию в сторону и проверить множество идей на практике.

Собственно, аналоговые квантовые симуляторы нового типа могут помочь в продвижении к универсальным квантовым компьютерам. К примеру, есть идея в качестве кубитов использовать такие квазичастицы, как парафермионы (группы электронов при особом взаимодействии). Заряды электронов в таком состоянии (Z3) равны 1/3 от обычного заряда. В лабораторных условиях учёные ещё не создавали такие частицы, а предложенная модель симулятора позволила их имитировать после соответствующей настройки напряжения на электродах. Фактически учёные в лаборатории создали материю, которой до этого в природе не было. И ведь её можно изучить после этого!

«Увеличив масштаб квантового симулятора с двух до многих наноразмерных компонентов, мы надеемся, что сможем моделировать гораздо более сложные системы, с которыми не могут справиться современные компьютеры, — сказал один из авторов работы. — Это может стать первым шагом к окончательному раскрытию некоторых из самых загадочных тайн нашей квантовой вселенной».

Специалисты компании Fujitsu провели исследование, которое может служить ответом на угрозу взлома RSA-ключей с помощью квантовых компьютеров. По данным компании, эта опасность крайне преувеличена. Запуск алгоритма на 39-кубитовом симуляторе показал, что до появления настоящей угрозы RSA-шифрованию пройдут долгие годы.

Источник изображения: Pixabay

Команда Fujitsu работала с одной из версий алгоритма Шора, который позволяет раскладывать большие числа на простые множители с помощью квантовых вычислителей. В рамках эксперимента удалось факторизовать 96 целых чисел типа RSA (произведение двух различных нечетных простых чисел) от N=15 до N=511 и подтвердить, что программа общего назначения может генерировать правильные квантовые схемы.

Затем специалисты использовали программу для генерации симулятора квантовых схем, с помощью которых они разложили на простые множители несколько RSA-ключей длиной от 10 до 25 бит и оценили требуемые ресурсы квантовых схем для взлома ключа длиной 2048 бит. Согласно расчётам, для факторизации числа RSA-2048 потребуется примерно 10 тыс. кубитов и 2,25 трлн вентилей с ними связанных (логических элементов). При этом отказоустойчивый квантовый компьютер с такой архитектурой должен будет работать 104 дня.

На основе расчётов команда Fujitsu сделала вывод, что до взлома с помощью алгоритмов Шора RSA-ключей криптографически значимой длины пройдут ещё многие годы, поскольку появление системы с 10 тыс. кубитов или классических компьютеров для её симуляции — этот вопрос довольно неблизкого будущего.

Исследование Fujitsu стало ответом на недавнюю статью китайских учёных, которые утверждают о возможности взломать ключ RSA-2048 с помощью квантовой системы на основе всего 372 кубитов. Китайцы использовали для доказательства концепции настоящий квантовый вычислитель на 10 сверхпроводящих кубитах. Они утверждают, что испытали алгоритм, кратно ускоряющий факторизацию. Использовали специалисты Fujitsu подобную оптимизацию или нет, не сообщается. Команда Fujitsu работала на суперкомпьютере Fugaku на архитектуре ARM, что, возможно, могло ограничить её специалистов в выборе алгоритмов.

Позже на этой неделе ожидается более подробный доклад о работе, которая будет представлена на конференции Symposium on Cryptography and Information Security 2023. Возможно мы узнаем больше подробностей.

Занимающаяся разработкой квантовых компьютеров компания IonQ анонсировала открытие «первого специального завода по производству квантовых компьютеров в США», который будет расположен в пригороде Сиэтла. Новое предприятие будет включать как производственные мощности, так и объекты для размещения команды исследований и разработок.

Источник изображения: IonQ

Завод площадью порядка 6000 м² будет расположен в Ботелле — пригороде Сиэтла. Здесь уже имеются предприятия компаний вроде Microsoft, Google, Amazon, Panasonic и Seattle Genetics, а также немало научных структур вроде Университета штата Вашингтон. В кампусе IonQ будет расположен как квантовый дата-центр, так и основные производственные мощности компании в Северной Америке. Предполагается, что в ближайшие годы IonQ создаст тысячи новых рабочих мест.

По словам главы IonQ Питера Чепмена (Peter Chapman), квантовые вычисления станут ключом к решению многих мировых проблем, включая изменения климата, дефицит энергии и проблемы с логистикой. Окрестности Сиэтла десятилетиями были хабом для технических инноваций, кроме того, там имеется немало квалифицированных кадров. Курировать проект будет доктор Дейв Мехюс (Dave Mehuys), один из бывших топ-менеджеров PsiQuantum с многолетним опытом работ в сфере квантовых вычислений.

Анонс стал последним событием в цепочке шагов, предпринимаемых IonQ на северо-западе тихоокеанского побережья США. Известно, что в 2022 году компания совместно с лабораторией Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) Министерства энергетики страны сообщила об организации устойчивых поставок бариевых кубитов для следующего поколения квантовых компьютеров IonQ.

Кроме того, квантовые системы IonQ уже доступны на двух облачных платформах региона — Amazon Braket и Azure Quantum. В прошлом году компьютер IonQ Aria получил имя самого мощного квантового компьютера в мире с показателем #AQ (Algorithmic Qubit), равным 23. В числе компаний и структур, заключивших корпоративные и федеральные контракты на поставку нового оборудования — Airbus, GE, Dow Chemistry, Hyundai Motors, Университет Мэриленда и даже Исследовательская лаборатория ВВС США.

Потенциальные преимущества квантовых расчётов с одновременным представлением каждого кубита бесконечным числом вариантов от 0 до 1 нивелируется их крайней нестабильностью. Учёные всего мира ищут возможность продлить квантовые состояния кубитов до возможности запуска на них сложных алгоритмов. Речь идёт хотя бы о секундах, не говоря о более длительном времени. Возможно, с этим смогут помочь немецкие учёные, которые предложили новый тип кубитов.

Источник изображения: Dennis Rieger, KIT

Исследователи из Технологического института Карлсруэ разработали сверхпроводящие кубиты, которые они назвали «гральмониевыми» (gralmonium) по аналогии с уже разработанными флюксониевыми кубитами. Традиционно сверхпроводящие кубиты используют так называемый эффект Джозефсона и структуру (переход), называемый джозефсоновским контактом. Квантовые состояния на таких контактах остаются неизменными тем дольше, чем меньше дефектов в материале. Но определить чистоту материала можно до определённой степени. Разработка немецких учёных обещает помочь с этим и вывести сверхпроводящие квантовые кубиты на новый уровень стабильности.

Сообщается, что вместо двух алюминиевых пластин, разделённых слоем диэлектрика, на чём обычно строится джозефсоновский контакт, исследователи взяли гранулированный алюминий с размерами гранул в несколько нанометров и поместили его в оксидный каркас. После процесса самоорганизации в структуре материала возникло множество микроскопических джозефсоновских контактов, что позволило детектировать мельчайшие дефекты в материале. Джозефсоновский контакт размерами 20 нм как увеличительное стекло выявил все неразличимые до этого дефекты, отметили учёные.

Столь небольшой по размерам джозефсоновский контакт открывает путь к значительному улучшению свойств кубитов, включая повышение их стабильности. Разработка запатентована и ждёт своего развития, которое, очевидно, вскоре последует.