Исследование Google показало, что 2048-битный ключ шифрования RSA — современный стандарт для онлайн-безопасности — может быть взломан за несколько дней квантовым компьютером с менее чем миллионом кубитов. Это открытие резко снизило требования к конфигурации квантового компьютера по сравнению с прежними оценками, которые всего несколько лет назад предполагали необходимость как минимум 20 миллионов кубитов.

Источник изображения: Quantware

Квантовый компьютер с миллионом кубитов пока представляется скорее фантастикой, нежели реальностью. Однако темпы прогресса в этой области требуют уже сейчас начать переход к мерам безопасности, устойчивым к квантовым технологиям. Исследование, проведённое для Google Крейгом Гидни (Craig Gidney) подробно описывает будущие атаки с применением квантовых компьютеров и призывает мировое ИТ-сообщество уже сейчас готовиться к постквантовому миру.

Выводы Гидни являются результатом достижений как в квантовых алгоритмах, так и в методах исправления ошибок. С тех пор как Питер Шор в 1994 году открыл, что квантовые компьютеры могут факторизовать большие числа гораздо эффективнее классических компьютеров, учёные стремились точно определить, какая конфигурация квантового оборудования потребуется для взлома реального шифрования.

Источник изображений: IBM

Последняя работа Гидни основана на недавних алгоритмических прорывах, таких как использование приближенного модульного возведения в степень, которое значительно сокращает количество требуемых логических кубитов. Исследование также включает более плотную модель для хранения кубитов с исправленными ошибками, используя такие методы, как «коды с ярмовой поверхностью» (yoked surface codes) и «выращивание магического состояния» (magic state cultivation) для сокращения требуемых ресурсов.

Гипотетическая машина, располагающая миллионом кубитов, для взлома 2048-битных ключей шифрования RSA должна будет работать непрерывно в течение пяти дней, поддерживать чрезвычайно низкий уровень ошибок и координировать миллиарды логических операций без перерыва. Современные квантовые компьютеры работают только с сотнями или тысячами кубитов, что намного меньше отметки в миллион кубитов. Например, IBM Condor и Google Sycamore с 1121 и 53 кубитами соответственно иллюстрируют текущие возможности квантовых вычислений.

Компания D-Wave недавно представила самый мощный в мире квантовый компьютер — систему Advantage2 с более чем 4400 кубитами. Как и все предыдущие системы D-Wave (за исключением компьютеров первых поколений), Advantage2 будет доступна только через облако. Поставки физических систем клиентам начнутся позже — с платформ, насчитывающих не менее 7000 кубитов, время которых ещё не пришло.

Источник изображения: Dwave

20 мая компания NVIDIA объявила об открытии Глобального центра исследований и разработок для бизнеса в области искусственного интеллекта на базе квантовых технологий (Global Research and Development Center for Business by Quantum-AI Technology, G-QuAT). На этой площадке размещена система ABCI-Q — крупнейший в мире исследовательский суперкомпьютер, предназначенный для квантовых исследований. Система интегрирована с тремя квантовыми компьютерами.

Крупные компании, разрабатывающие квантовое оборудование, планируют масштабировать свои компьютеры до уровня миллиона кубитов в течение следующего десятилетия. IBM в партнёрстве с Токийским и Чикагским университетами собираются построить квантовый компьютер на 100 000 кубитов к 2033 году. Компания Quantinuum заявила о цели по созданию полностью отказоустойчивого универсального квантового компьютера Apollo к концу 2020-х годов.

Последствия появления следующего поколения квантовых компьютеров для информационной безопасности крайне болезненны. RSA и аналогичные криптографические системы лежат в основе большей части защищённых коммуникаций в мире, от банковского дела до цифровых подписей. Результаты исследования Гидни подтверждают срочность перехода на постквантовую криптографию (PQC) — новые стандарты, разработанные для противостояния атакам квантовых компьютеров. В прошлом году Национальный институт стандартов и технологий США опубликовал алгоритмы PQC и рекомендовал поэтапно отказаться от уязвимых систем после 2030 года.

Новые стандарты должны стать важным элементом криптографической защиты данных. Предыдущие стандарты криптографии NIST, разработанные в 1970-х годах, используются практически во всех устройствах, включая интернет-маршрутизаторы, телефоны и ноутбуки. Руководитель группы криптографии NIST Лили Чен (Lily Chen) уверена в необходимости массовой миграции с RSA на новые методы шифрования: «Сегодня криптография с открытым ключом используется везде и во всех устройствах, наша задача — заменить протокол в каждом устройстве, что нелегко».

Поэтому эксперты по безопасности в различных отраслях призывают серьёзно относиться к угрозе, исходящей от квантовых компьютеров. Новые схемы шифрования основаны на понимании сильных и слабых сторон квантовых вычислений, так как квантовые компьютеры превосходят классические лишь в достаточно узком спектре задач. К квантово-устойчивым криптографическим методам относятся:

• Решётчатая криптография основана на геометрической задаче о кратчайшем векторе, которая требует найти точку, ближайшую к началу координат, что невероятно сложно сделать при большом количестве измерений.
• Изогональная криптография использует для шифрования эллиптические кривые, что обещает высокую устойчивость к дешифровке.
• Криптография на основе кода с возможностью исправления ошибок опирается на сложность восстановления структуры кода из сообщений, содержащих случайные ошибки.
• Криптография с открытым ключом на основе хеш-дерева позиционируется как развитие идей RSA.

Источник изображения: unsplash.com

Исследование Гидни подчёркивает важность упреждающего планирования. Оно также напоминает о вечном соревновании «снаряда и брони» — по мере развития технологий развиваются и методы их взлома. Улучшения алгоритмов и лучшая интеграция оборудования и программного обеспечения продолжают снижать барьеры для потенциальных злоумышленников.

Компания D-Wave представила самый мощный в мире квантовый компьютер — систему Advantage2 с более чем 4400 кубитами. Как и все предыдущие системы D-Wave (за исключением компьютеров первых поколений), Advantage2 будет доступна только через облако. Поставки физических систем клиентам начнутся позже — с платформ, насчитывающих не менее 7000 кубитов, время которых ещё не пришло.

Источник изображений: D-Wave

Новинка позволяет вплотную познакомиться с возможностями передовых квантовых компьютеров канадско-американской компании D-Wave Quantum Inc. К сожалению, это не универсальные квантовые вычислители. Системы D-Wave используют так называемый квантовый отжиг, предназначенный для решения задач оптимизации — в логистике, разработке магнитных материалов, определённых лекарств и других специфических областях.

Именно на примере исследования магнитных материалов компания D-Wave ранее в этом году доказала, что её младшая система Advantage2 с 1200 кубитами заслуживает называться «Святым Граалем квантовых вычислений», продемонстрировав квантовое превосходство над классическими суперкомпьютерами. Новая платформа с 4400 кубитами обещает быть ещё мощнее, сохраняя за системами Advantage2 статус «самых мощных в мире». По крайней мере, эти компьютеры уже сегодня способны оказывать практическую помощь в сложных расчётах.

Квантовые процессоры Advantage2 основаны на более совершенной архитектуре по сравнению с предыдущими поколениями. Если раньше каждый кубит был связан максимум с 15 другими, то теперь число связей увеличено до 20. Это делает расчёты более эффективными и позволяет решать значительно более сложные задачи в более короткие сроки. Кроме того, почти вдвое увеличено время когерентности — период, в течение которого кубиты сохраняют своё квантовое состояние и устойчивость к ошибкам.

Квантовый процессор Advantage2

Примечательно, что новая платформа потребляет те же 12 кВт энергии, что и все предыдущие компьютеры компании. Это означает, что энергоэффективность систем последовательно растёт — и это можно только приветствовать.

В облаке новая система D-Wave коммерчески доступна в 42 странах мира. Первые три месяца компания предоставляет возможность использовать её бесплатно, позволяя клиентам на практике оценить прогрессивность квантовых вычислений и их применимость для решения прикладных задач.

Глава немецкого подразделения IBM сообщил, что компания развернула в Германии один из своих мощнейших квантовых компьютеров. Система получила название Aachen. Она построена на втором поколении квантового процессора Heron.

Источник изображения: IBM

В своём посте в LinkedIn Дэвид Фаллер (David Faller) сообщил, что система доступна клиентам компании через сервис IBM Quantum Cloud Platform, а физически она размещена в европейском центре обработки данных IBM Quantum, расположенном к югу от Штутгарта в Германии.

Процессоры Heron были представлены в декабре 2023 года.

На момент анонса сообщалось о 133 кубитах и пятикратном снижении числа вычислительных ошибок по сравнению с предыдущим 127-кубитным процессором Eagle. Снижение ошибок стало одним из важнейших достижений в архитектуре процессоров, поскольку без этого масштабирование квантовых вычислительных платформ крайне затруднено.

В основу новой квантовой системы Aachen лёг обновлённый вариант процессора Heron — 156-кубитный Heron r2.

«Aachen дополняет наши квантовые системы в Страсбурге и Брюсселе, которые доступны с конца июня 2024 года и построены на 127-кубитных процессорах Eagle. Это также одна из самых быстрых квантовых систем в нашем парке на сегодняшний день», — сообщил Фаллер.

По состоянию на начало 2025 года у IBM насчитывалось 13 квантовых компьютеров промышленного уровня, каждый из которых содержал более 100 кубитов. Они работали в Покипси (штат Нью-Йорк), в немецком центре обработки данных и у клиентов по всему миру. По словам компании, с 2016 года она внедрила в общей сложности чуть менее 80 квантовых систем — больше, чем все остальные участники отрасли вместе взятые. Однако ощутимых результатов от этого внедрения пока не видно — по крайней мере, эта тема широко не освещается.

В то же время сама IBM, как минимум, получает материальную отдачу от внедрения квантовых платформ. Так, в феврале 2025 года стало известно, что за период с первого квартала 2017 года, когда было создано подразделение IBM Quantum, по четвёртый квартал 2024 года компания подписала контракты почти на $1 млрд. Вряд ли это покрывает все расходы на развитие квантовых вычислителей, но это — дополнительный стимул продолжать движение в выбранном направлении.

Китайские учёные первыми в мире использовали квантовый компьютер для точной настройки искусственного интеллекта — большой языковой модели с одним миллиардом параметров. Это стало первым использованием квантовой платформы, имеющим практическую ценность. В этом проявил себя компьютер Wukong китайской компании Origin, основанный на 72 сверхпроводящих кубитах.

Источник изображения: Origin

Система Wukong относится к третьему поколению квантовых компьютеров Origin. В январе 2024 года к ней был открыт облачный доступ со всего мира. Как признаются разработчики, поток учёных возглавили исследователи из США, несмотря на то что китайским учёным доступ к аналогичным ресурсам западных партнёров по-прежнему закрыт.

«Это первый случай, когда настоящий квантовый компьютер был использован для точной настройки большой языковой модели в практических условиях. Это демонстрирует, что современное квантовое оборудование может начать поддерживать задачи обучения ИИ в реальном мире», — сказал Чэнь Чжаоюнь (Chen Zhaoyun), исследователь из Института искусственного интеллекта при Национальном научном центре в Хэфэе.

По словам учёных, система Origin Wukong на 8,4 % улучшила результаты обучения ИИ при одновременном сокращении количества параметров на 76 %. Обычно для решения подобных задач — специализации ИИ общего назначения — используются суперкомпьютеры, что требует значительных вычислительных и энергетических ресурсов. Квантовый вычислитель, использующий принцип квантовой суперпозиции — множества вероятностных состояний вместо двух классических (0 и 1), способен экспоненциально ускорить расчёты при относительно скромных затратах ресурсов.

В частности, учёные продемонстрировали преимущества точной настройки большой языковой модели с помощью квантовой системы для диагностики психических расстройств (число ошибок снижено на 15 %), а также при решении математических задач, где точность выросла с 68 % до 82 %.

Для запуска алгоритмов обучения ИИ на квантовой платформе исследователи разработали то, что назвали «квантово-взвешенной тензорной гибридной настройкой параметров». Весовые значения обрабатывала квантовая платформа, в то время как классическая часть готовила большую языковую модель. Благодаря суперпозиции и эффекту квантовой запутанности платформа Origin Wukong смогла одновременно обрабатывать огромное количество комбинаций параметров, что ускорило специализацию модели.

Три месяца назад компания Google доказала возможность масштабирования квантовых систем без значительного увеличения числа квантовых ошибок. Это снимает барьеры для создания по-настоящему практичного квантового компьютера, который потребует от сотен тысяч до миллиона кубитов. Всё это укрепило уверенность руководителей квантового подразделения Google в том, что компания совершит действительный прорыв в квантовых технологиях уже до конца текущего десятилетия.

Сундар Пичаи с одним из квантовых компьютеров Google в октябре 2019 года. Источник изображения: Reuters

В интервью информагентству CNBC исполнительный директор подразделения Google Quantum AI Джулиан Келли (Julian Kelly) сказал: «Мы думаем, что осталось около пяти лет до настоящего прорыва — создания практического приложения, которое можно будет решить только на квантовом компьютере».

Сегодня первые воплощения квантовых компьютеров решают синтетические задачи, которые также невозможно запустить на классических компьютерах. Но они не имеют практической ценности. Квантовые платформы пока ограничены в вычислительных ресурсах — в количестве кубитов для запуска сложных алгоритмов. Учёные и разработчики подобных систем и алгоритмов всё ещё учат их использовать и ищут сферу возможного приложения для квантовых вычислителей. Какой-либо определённости в этих вопросах нет, и нахождение ответов на такие, казалось бы, простые вопросы тоже может стать прорывом.

Пока сотрудники Google Quantum AI и их коллеги сходятся на том, что квантовые системы способны на фундаментальном уровне имитировать физические явления и процессы. Поскольку на базовом уровне физика и химия — это суть проявлений квантовой механики, то квантовые симуляторы могут проложить путь к новым материалам и веществам, например, к новым составам аккумуляторов или лекарствам.

Ещё одним применением для квантовых систем может стать генерация данных для обучения искусственного интеллекта, хотя в Google подчёркивают, что современные модели ИИ не подходят для запуска на квантовых платформах.

«Одно из потенциальных применений, которое вы можете придумать для квантового компьютера, это генерация всё новых и новых данных», — сказал Келли.

Заинтересованность в данных и в методах их новой обработки заинтересованы все лидеры отрасли вычислений. Некоторые, например, Microsoft, готовы даже подчинять себе физику — буквально. Таким действием стало заявление компании о создании квантового процессора на ещё не открытой частице — фермионе Майораны. Специалистов Microsoft не смутило её отсутствие и последующее возмущение физиков. В Microsoft готовы потрясать устои науки ради достижения поставленной цели.

Отдельная история с генеральным директором Nvidia Дженсеном Хуангом (Jensen Huang). В январе 2025 года на CES 2025 он заявил, что квантовые компьютеры не появятся ещё как минимум 15 лет, чем обвалил акции квантовых компаний. Позже он извинился за эти слова, и заявил, что заинтересован в квантовых разработках. Ускорители Nvidia могут быть связующим звеном между квантовыми и классическими платформами, и главе «графической» компании не следовало сомневаться в новом направлении бизнеса.

В любом случае ближайшие пять лет принесут много нового в мире квантовых вычислений. Будет ли это прорыв или просто быстрое продвижение вперёд — это уже не так важно. Главное то, что застоя на этом направлении не будет, а результат, в том или ином виде, обязательно появится.

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.