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.

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.

После публикации научной статьи о прорыве компании Amazon в разработке квантовых компьютеров настал черёд узнать чуть больше о квантовом процессоре для этой платформы. Это прототип под названием «Оцелот» (Ocelot), что перекликается с именем компании Amazon, ведь эти кошачьи хищники обитают вдоль одноимённой южно-американской реки. И кошки здесь к месту, поскольку в основе архитектуры процессора лежат кошачьи кубиты.

Источник изображений: Amazon

Подробно об основах работы квантовой платформы с процессором «Оцелот» мы говорили в этой новости. Напомним, инженеры Amazon объединили в одном процессоре две разные архитектуры кубитов, за счёт чего добились радикального снижения аппаратных затрат — числа физических кубитов, необходимых для реализации схем исправления ошибок в вычислениях.

По признанию компании, схемы «Оцелота» исправляют ошибки с экономией 90 % физических кубитов по сравнению с конкурирующими платформами. Иначе говоря, прорывной квантовый процессор Amazon использует на порядок меньше аппаратных ресурсов для безошибочного исполнения квантовых алгоритмов. Нужно ли говорить, что в этом скрыт огромный потенциал для более простого наращивания числа кубитов?

Источник изображения: Nature 2025

Компания Amazon так описывает схему процессора: «Логический чип памяти Ocelot, показанный на схеме выше, состоит из пяти кошачьих кубитов данных, в каждом из которых находится осциллятор, используемый для хранения квантовых данных. Опорный осциллятор каждого кошачьего кубита соединён с двумя вспомогательными трансмонными кубитами для обнаружения связанных с фазовым сдвигом ошибок, и сопряжён со специальной нелинейной буферной схемой, используемой для стабилизации состояний кошачьих кубитов и экспоненциального подавления ошибок, связанных с изменением порядка битов».

Кошачьи кубиты, названные так в честь вымышленной кошки Шрёдингера (в оригинале это кошка, а не кот), устойчивы к ошибкам переворота бита, поскольку используют группы фотонов и пренебрегают переворотами одного из них. Трансмоны служат для коррекции ошибок со сдвигом фазы и исправляют условно единственные ошибки кошачьих кубитов, которые те допускают. Тем самым гибридная архитектура более простыми средствами устраняет ошибки в квантовых вычислениях.

«Настройка устройства Ocelot включает калибровку частоты ошибок при переключении битов и фаз кошачьих кубитов в зависимости от амплитуды “кошки” (среднего количества фотонов) и оптимизацию шумового смещения вентиля C-NOT, используемого для обнаружения ошибок при переключении фаз. Наши экспериментальные результаты показывают, что мы можем добиться времени переключения битов, приближающегося к одной секунде, что более чем в тысячу раз превышает срок жизни обычных сверхпроводящих кубитов», — поясняют в Amazon.

Физически чип «Оцелот» состоит из двух электрически соединённых кристаллов, каждый из которых имеет площадь 1 см². На поверхности каждого кремниевого микрочипа находятся тонкие слои сверхпроводящих материалов, которые образуют элементы квантовых схем. Чип Ocelot состоит из 14 основных компонентов: пять кубитов данных (кошачьих кубитов), пять «буферных схем» для стабилизации кубитов данных и четыре дополнительных кубита для обнаружения ошибок в кубитах данных (трансмона).

Квантовые биты хранят квантовые состояния, используемые для вычислений. Для этого они полагаются на компоненты, называемые осцилляторами, которые генерируют повторяющийся электрический сигнал с постоянной частотой. Высококачественные осцилляторы Ocelot изготовлены из тонкой плёнки сверхпроводящего материала под названием тантал. Специалисты AWS по материалам разработали особый способ обработки тантала на кремниевом чипе для повышения производительности осциллятора.

В целом компания заимствовала большинство технологий для производства «Оцелота» из полупроводниковой отрасли и готова быстро сократить стоимость выпуска процессоров в пять раз. Представленная Amazon передовая квантовая платформа — в корне не такая, как у всех остальных — должна на пять лет ускорить появление практичного и устойчивого к ошибкам квантового компьютера, уверены в компании.

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.

Компания Intel подписала меморандум о взаимопонимании с Японским национальным институтом передовой промышленной науки и технологий (AIST) о совместной работе над квантовыми компьютерами следующего поколения. Для партнёров из Японии Intel будет поставлять свои новейшие квантовые процессоры, а исследователи из AIST создадут на их основе рабочие системы для совместного распространения среди научных учреждений всего мира.

Источник изображения: Intel

Компания Intel не была особенно активной в разработке квантовых систем, хотя работала в одном из самых перспективных направлений — сфере спиновых кубитов, которые также называют кремниевыми. Такие квантовые процессоры можно производить на стандартных полупроводниковых фабриках, что обеспечивает их массовость, а также обещает достаточно простое масштабирование систем.

Свой первый квантовый процессор Tunnel Falls на 12 спиновых кубитах компания представила в июне 2023 года. В 2024 году ожидался выпуск процессора с увеличенным числом кубитов, но он так и не был представлен. Однако в мае 2024 года сотрудники Intel опубликовали в Nature развёрнутую статью, в которой объясняли превосходство квантовых процессоров компании над конкурентными разработками. В частности, Intel заявила об установлении отраслевого стандарта в области единообразия, точности и статистики измерений спиновых кубитов.

Следует отметить, что сферу разработки и эксплуатации квантовых вычислителей в Японии около пяти лет развивает компания IBM. Свой третий квантовый компьютер Q System One компания передала Токийскому университету в обмен на обязательство разработки прикладных квантовых алгоритмов.

Кроме того, IBM ещё раньше Intel подписала договор о сотрудничестве с AIST — это произошло в июне 2024 года. Тогда стало известно, что исследовательский институт заключил партнёрство с IBM по разработке квантового компьютера ёмкостью 10 000 кубит, запуск которого запланирован на 2029 год.

Возвращаясь к совместной работе Intel и AIST, добавим, что компании также договорились совместно развивать полупроводниковые и сверхпроводниковые интегральные схемы, необходимые для создания квантовых компьютеров следующего поколения. Разрабатываемые партнёрами квантовые системы будут доступны университетам в США, Японии и других странах. Остальным организациям придётся доплатить за доступ к платформам.

Кроме того, ирландское подразделение Intel по исследованиям и разработкам было названо одним из 36 партнёров, работающих над созданием европейской цепочки поставок криогенных квантовых технологий, включая криогенную фотонику, микроэлектронику и криомикросистемы. Проект, получивший название ARCTIC (Advanced Research on Cryogenic Technologies for Innovative Computing), стал первым результатом программы совместного объединения Европейского союза по производству чипов (CJU).

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.

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.

Сообщается, что в течение 2025 года компании Atom Computing и Microsoft поставят клиентам первые 1000-кубитные квантовые компьютеры. Это будут локальные системы на холодных нейтральных атомах, для которых Microsoft создала программную платформу для организации гибридных квантово-классических вычислений, а также базовые алгоритмы коррекции ошибок. Эти разработки позволят создать на компьютере массив из 50 логических кубитов для произвольных вычислений.

Источник изображений: Atom Computing

В компании Atom Computing подчёркивают, что они разработали локальную вычислительную систему, доступную для непосредственного использования клиентами. Кубиты создаются на основе охлаждённых атомов иттербия. Атомы доводятся в одной вакуумной камере до температуры, близкой к абсолютному нулю, и затем с помощью оптических пинцетов переносятся во вторую вакуумную камеру, где удерживаются в ловушках в конфигурациях, созданных по заданному алгоритму.

Конфигурации атомов представляют собой схему из соединённых гейтов — логических структур, предназначенных для обработки состояний входных кубитов. В 1000-кубитной системе этого года (точнее, 1200 кубитов) для создания схемы выполнения квантового алгоритма разработчики предлагают использовать около 50 логических кубитов. Важно отметить, что ряд конкурирующих компаний используют холодные нейтральные атомы для симуляции квантовых процессов. Это тоже своего рода расчёты, но универсальными такие платформы назвать нельзя. Компания Atom Computing изначально сочла такой подход неприемлемым и организует свои нейтральные холодные атомы в гейты.

«Atom Computing вообще никогда не интересовалась аналоговыми вычислениями [симуляциями], — говорит Реми Нотерманс (Remy Notermans), директор по стратегическому планированию компании. — Причина в том, что, когда мы говорим о долгосрочных отказоустойчивых квантовых вычислениях, на самом деле нужны компьютеры на базе гейтов. Очевидно, что я не могу читать мысли наших конкурентов, но мы увидели окно возможностей, где аналоговые вычисления с нейтральными атомами очень интересны. Однако для достижения долгосрочной цели создания отказоустойчивого квантового компьютера аналоговые вычисления не подходят».

У холодных нейтральных атомов, используемых в качестве кубитов, есть свои плюсы и минусы. Главный минус — операции с ними проходят ощутимо медленнее. Однако это компенсируется одним из самых длительных в отрасли времён когерентности, в течение которого можно запускать вычислительные алгоритмы и корректировать ошибки. Более того, ставка компании на атомные спины, а не на электронные, максимально увеличила время когерентности. Сегодня оно у них самое продолжительное в отрасли, а точность вычислений на уровне 99,6 % для двухкубитных гейтов является самой высокой в индустрии.

Считается, что абсолютно безошибочными квантовые вычисления станут после создания компьютера на 1000 логических кубитов из 1 млн физических. На практике всё может быть не так однозначно, но цель ясна — пытаться создавать системы с наибольшим возможным числом логических кубитов за счёт избыточности физических. В этом году Atom Computing и Microsoft предложат клиентам более 50 логических кубитов на более чем 1000 физических. На следующем этапе компании планируют начать поставки систем с более чем 100 логическими кубитами на более чем 10 тыс. физических. У компании нет узких мест, препятствующих масштабированию платформы, и она готова к развитию.

Интересно отметить, что в данном проекте в качестве партнёра участвует такой технологический гигант, как Microsoft. При этом у Microsoft есть свои собственные квантовые платформы и даже облачные сервисы в этой области. Однако в процессе поставки и развёртывания квантовых компьютеров Atom Computing компания Microsoft будет полноценно отвечать за свою часть — за коррекцию ошибок и создание гибридного стека с классическими компьютерами с использованием пакета Microsoft Azure Quantum. Этот пакет включает инструменты для виртуализации кубитов и упрощения работы с ними.

Со временем Atom Computing обещает начать поставки квантовых компьютеров для развёртывания облачных услуг. Однако для этого необходимо создать платформы следующего поколения, которые смогут приносить практическую пользу. Современные квантовые системы, а также решения ближайших лет, компания рассматривает как полигон для отладки алгоритмов и поиска оптимальных квантовых технологий. Чтобы квантовый компьютер обрёл практическую ценность, должно пройти ещё много лет.

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.

По сообщению пресс-службы физического факультета МГУ, 19 декабря 2024 года был проведен контрольный эксперимент, подтвердивший работу первого в стране 50-кубитного квантового компьютера. Установка была официально представлена в октябре этого года. Она создана в рамках многолетнего плана под патронажем «Росатома». Платформа подходит для масштабирования и постепенно позволит нарастить число кубитов до 300 и более.

Источник изображения: Пресс-служба физического факультета МГУ

Создание 50-кубитного квантового компьютера в России позволит в обозримом будущем найти практическое применение вычислителям такого класса. В ближайшее время начнётся отладка платформы для повышения точности выполнения двухкубитных операций.

«На новом этапе важно начать практическое применение квантовых инноваций. Атомная отрасль уже запустила программу пилотных внедрений квантовых вычислений. Мы рассчитываем на синергию в этой области усилий Росатома и научных коллективов страны, включая ЦКТ МГУ имени М.В. Ломоносова», — пояснила директор по цифровизации госкорпорации «Росатом» Екатерина Солнцева, которую цитирует пресс-служба университета.

Анонсированная МГУ платформа представляет собой так называемый оптический стол, большую часть которого занимает лазерная система, используемая для охлаждения и управления состояниями атомов, а также система со сверхвысоким вакуумом и оптическим доступом. Разработчики — специалисты Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова и Российского квантового центра — уточняют, что система будет доступна через облако. Пользователям неважно, размещён ли это прототип на открытом стенде или красиво упакованное в корпус изделие. Главное, чтобы компьютер работал.

Кстати, среди ведущих специалистов в области квантовых вычислений нет единого мнения о том, что такое квантовая платформа — вычислитель или симулятор. Происходящие в них процессы представляют собой квантовые явления, которые в полном объёме невозможно воспроизвести на классических компьютерах. Учёные как бы позволяют атомам, помещённым в определённые условия, вести себя так, как будто за ними никто не наблюдает, и затем изучают полученные результаты. Таким образом, задачи поиска новых материалов, разработки лекарств и даже оптимизации логистики решаются практически сами собой, но создание начальных условий и извлечение результатов — это поистине титанический и одновременно изощрённый труд.

Созданный в России вычислитель основан на одиночных нейтральных атомах рубидия, которые захватываются оптическими пинцетами (сфокусированными лазерными лучами). Именно благодаря использованию оптических пинцетов удалось относительно простыми средствами собрать 50-кубитную систему и планировать её расширение до 100 кубитов к 2030 году.

«В настоящий момент в Центре квантовых технологий МГУ мы можем создавать квантовые регистры из 50 атомов, расположенных в упорядоченном массиве, реализовывать операции над одиночными кубитами. <…> Нейтральные атомы в оптических пинцетах — хорошая система с точки зрения перспектив масштабирования, нам более-менее понятно, как дойти от систем из десятков кубитов к сотням и даже тысячам кубитов», — пояснил учёный, чьи слова приводит пресс-служба университета.

Желающие отточить навыки программирования квантовых компьютеров получили возможность работать на новейшей платформе калифорнийского стартапа Rigetti Computing. Компания открыла облачный доступ к 84-кубитной системе на новейшем процессоре Ankaa-3. Платформа Rigetti использует классические сверхпроводящие кубиты, что может сделать её новую платформу наиболее востребованной среди пользователей.

Квантовый процессор и компьютер компании Rigetti Computing. Источник изображения: Rigetti Computing

Как уверяют в Rigetti, благодаря модернизированной архитектуре точность квантовых вентилей существенно повышена, что приводит к более достоверным результатам вычислений. В частности, в 2024 году удалось вдвое снизить частоту ошибок и достичь средней точности iSWAP-вентилей на уровне 99,0 %, а также продемонстрировать среднюю точность fSim-вентилей на уровне 99,5 %. Среднее время выполнения операций для элементов iSWAP составило 72 нс, а для fSim — 56 нс. Вентили fSim компания называет оптимизированными для выборки случайных схем, что делает их аналогичными квантовым чипам Google и её новейшему процессору Willow.

Компания Rigetti улучшила не только архитектуру кубитов, но также провела модернизацию всей цепочки производства квантовых процессоров: от методов нанесения металлизации на отдельные элементы, такие как сверхпроводящие джозефсоновские переходы, до организации кубитов в массивы для коррекции ошибок. Кубиты Rigetti представляют собой джозефсоновские переходы, резонаторы и радиочастотные датчики, которые в составе платформы охлаждаются до температуры чуть выше абсолютного нуля (около 10 мК). Для производства таких кубитов используется адаптированный техпроцесс выпуска микроэлектромеханических систем (МЭМС), хорошо известный в полупроводниковой отрасли.

В 2024 году компания планирует представить следующее поколение своей квантовой модульной архитектуры. Например, ближе к лету появится 36-кубитная система, основанная на четырёх 9-кубитных чипах, соединённых вместе. Это позволит вдвое снизить частоту ошибок по сравнению с текущим уровнем. К концу 2025 года Rigetti планирует выпустить систему с более чем 100 кубитами, что также приведёт к двукратному снижению частоты ошибок по сравнению с сегодняшним днём.

Кроме того, Rigetti Computing вскоре предоставит облачный доступ к своему новейшему 84-кубитному компьютеру через сторонние платформы, такие как Amazon Braket и Microsoft Azure.