За прошедший год в мире зародилось множество проектов по созданию гибридных вычислительных систем, состоящих из связанных между собой квантовых компьютеров и классических суперкомпьютеров. Таким образом, квантовые системы начнут осваивать ниши практических вычислений задолго до появления универсального квантового вычислителя. Продвинутые в создании суперкомпьютеров японцы спешат воспользоваться этим преимуществом и создать рабочее решение к 2025 году.

Источник изображения: Riken Quantum Computing

Подключить к будущей квантовой системе в Японии планируют ни много ни мало, а систему с сильнейшим мировым уровнем, которая до 2022 года целых два года удерживала первое место в списке мощнейших суперсистем мира — это компьютер Fugaku совместной разработки и производства компании Fujitsu и Института физико-химических исследований RIKEN. Будущего квантового партнёра этой системы Fujitsu и RIKEN также будут создавать вместе, и первый его прототип построят в городе Вако префектуры Сайтамо (недалеко от Токио) уже к марту текущего года.

Ожидается, что суперкомпьютеры смогут частично смягчить такие «детские болезни» квантовых систем, как вероятностный характер вычислений (значительный уровень ошибок) и короткое время жизни квантовых состояний кубитов. Отметим, сегодня кубиты фактически подключаются к обычным компьютерам, которые устанавливают и считывают их состояния в процессе исполнения алгоритмов, поэтому ничего принципиально нового и сложного в гибридных квантово-классических вычислениях нет. Но и уровень сложности будущей задачи нельзя преуменьшать — согласованная работа в режиме расчётов потребует новых программных сред, инструментов и даже алгоритмов.

Для подготовки к будущей совместной работе Fugaku и пока безымянной квантовой системы институт RIKEN создаёт команду разработчиков, которая с 2023 года будет заниматься изучением различных методов и инструментов расчёта для облегчения передачи данных между квантовым компьютером и Fugaku. Запуск системы в работу ожидается в 2025 году. Вскоре после этого партнёры намерены довести гибридную систему до уровня «безошибочного» квантового компьютера. Компания Google, например, обещает создать исключительно квантовый вычислитель без ошибок к 2029 году. Японские инженеры намерены обогнать в этом Google за счёт гибридного подхода.

Французский центр исследований CEA-Leti сообщил, что бывшие научные сотрудники учреждения образовали стартап Siquance, который обещает создать квантовый компьютер на базе решений, которые может дать современное производство полупроводников. Для этого необходимо «всего лишь» создать транзистор для работы с кубитами, а не битами. Несмотря на сложность задачи, пути для её решения уже предложены, и по ним пойдут в новой компании.

Генеральный директор Siquance Мод Вине (Maud Vinet). Источник изображения: CEA-Leti

Стартап Siquance получил финансовую и патентную поддержку CEA-Leti и Национального центра научных исследований Франции (CNRS). Все главные роли в стартапе играют выходцы из CEA и CNRS, имеющие как научный опыт в области квантовых наук, так и практический опыт в производстве полупроводников. Центр CEA-Leti располагает собственным производством по обработке кремниевых пластин и десятилетиями служил и продолжает служить полигоном для разработки совершенных техпроцессов по выпуску чипов.

Вариант кубита из кремния. Источник изображения: CEA-Leti

В представлении основателей компании Siquance они станут источником будущего прорыва Франции и ЕС в области квантовых вычислителей и устранят пропасть между квантовой наукой в Европе и США, а также разрыв в этой сфере с Китаем.

Согласно планам Siquance, квантовые вычислители современности должны строиться на современном производстве полупроводниковых решений. Это обеспечит доступность и масштабируемость платформ. По крайней мере, коммерциализация квантовых систем на кремниевых чипах с транзисторами выглядит понятнее и привлекательнее, чем на установках со сверхпроводящими кубитами или оптическими ловушками, вышедшими словно из лаборатории «сумасшедшего учёного».

Часть кремниевого компьютера на сверхпроводящих кубитах

Компания Siquance продолжит НИОКР совместно с CEA и CNRS. О результатах обещают регулярно сообщать.

Американские физики смогли поставить эксперимент, который обещает в итоге создать «теорию всего» — объединить все известные фундаментальные взаимодействия одной теорией. Сегодня на этом пути остаётся один барьер — невозможность связать теорию гравитации с квантовой физикой. Учёные предложили использовать для этого квантовый компьютер. Начали они с простого эксперимента, ведь если получится в малом масштабе, может получиться и в большом.

Источник изображения: Andrew Mueller/INQNET

Эксперимент проводился на квантовом компьютере Google Sycamore 2. В опыте были задействованы всего 9 кубитов из доступных 72. Сделано это было ради снижения уровня шума (ошибок). Более того, вычислительная (симулятивная) часть была возложена на 7 кубитов из 9, а два других служили входом и выходом из «червоточины». Симуляция воспроизводила ситуацию, как если бы в одну из чёрных дыр что-то падало и тут же возникало на выходе из другой далеко отстоящей от первой чёрной дыры.

Важно отметить, что никаких миниатюрных чёрных дыр на квантовой системе не создавалось. Алгоритм лишь воспроизводил сильно упрощённую модель поведения одной из подсистем теории голографического принципа квантовой гравитации, а именно модели Сачдева-Йе-Китаева (SYK). Одна система SYK, смоделированная кубитами, представляла вход «червоточины», а другая — выход.

В основе предложенной идеи лежит математически доказанное предположение, что запутывание кубитов имеет отношение к гравитационному взаимодействию. Если это так, то квантовая телепортация происходит через «червоточины». Эксперимент на квантовом процессоре Google показал, что информация «телепортируется» сквозь пару связанных «чёрных дыр»: поданный на вход сигнал мгновенно воспроизводится на выходе.

Строго говоря, эксперимент не привнёс в науку ничего нового. С тем же успехом можно было взять в руки мелок и нарисовать на асфальте кротовую нору из двух чёрных дыр, как вы себе это представляете. И всё же, учёные сделали шаг вперёд в развитии науки — они на практике доказали, что невообразимые простому разуму квантовые законы доступны для моделирования на квантовых системах. По мере совершенствования таких систем модели и симуляции будут всё сложнее и сложнее, пока не случится тот прорыв, который позволит человеку понять природу всего.