Учёные из Школы молекулярной инженерии им. Прицкера Чикагского университета (PME) предложили опутать США сетью особых каналов связи, ориентированных на передачу квантовых состояний кубитов. Это позволит создать квантовый интернет и реализовать распределённые квантовые вычисления, что умножит мощь и без того перспективных квантовых вычислителей. В этом поможет опыт гравитационно-волновых обсерваторий, ведь кубиты придётся передавать в вакууме.

Источник изображения: University of Chicago

Исследование финансируется военными и властями США. Квантовый интернет — это не только абсолютно безопасная связь, которая не поддаётся незаметному взлому, но также экспоненциальный рост вычислений. Распределённые квантовые вычисления могут на какое-то время решить проблему с масштабированием квантовых платформ. Пока в составе каждого вычислителя физически большие кубиты и их мало, перераспределение вычислительной нагрузки поможет наращивать производительность относительно простым способом.

Учёные уже умеют и даже внедряют в практику обмен квантовыми состояниями на больших расстояниях с помощью кодирования фотонов. Благодаря этому квантовые состояния можно передавать по обычному оптоволокну и с помощью лазера по воздуху и в вакууме, например, через спутники. Однако скорость передачи при этом очень маленькая, как и велики затухания в оптоволокне.

Учёные из Чикагского университета опирались на опыт многолетней работы гравитационно-волновых обсерваторий, датчики которых — это трёхкилометровые тоннели с высоким вакуумом (10^-11 атмосфер). Благодаря зеркалам фотоны в тоннелях пролетают колоссальные расстояния, отзываясь на гравитационные волны. Таким же образом можно передавать на сотни и тысячи километров квантовую информацию, закодированную в состояниях фотонов. А чтобы снизить вероятность их рассеивания, необходимо предусмотреть систему фокусирования на всём протяжении маршрута.

В результате работы исследователи теоретически обосновали возможность охватить США сетью квантового интернета из вакуумных труб диаметром 20 см с фокусирующими линзами через каждые несколько километров. Расчёты показывают, что всё будет работать при среднем уровне вакуума (10^-4 атмосфер). На следующем этапе учёные проведут экономическое обоснование проекта. Но даже сейчас они подчёркивают, что ради скоростной квантовой сети не жалко будет никаких денег.

Швейцарские учёные разработали инновационную двумерную систему охлаждения для квантовых компьютеров, способную достигать температур до 100 милликельвинов, преобразуя тепло в электрическое напряжение. Разработка может стать прорывом в области квантовых вычислений.

Источник изображения: LANES EPFL

Исследовательская группа LANES из Швейцарской федеральной политехнической школы Лозанны (EFPL), возглавляемая Андрашем Кишем (Andras Kis), создала устройство, которое по эффективности соответствует современным технологиям охлаждения, но работает при слабых магнитных полях и сверхнизких температурах, необходимых для квантовых систем. Новая технология позволяет достигать сверхнизких температур путём преобразования тепла в электрическое напряжение, что особенно важно для вычислений, так как квантовые биты (кубиты) чрезвычайно чувствительны к теплу и требуют охлаждения до температур ниже 1 кельвина, пишет ресурс Tom's Hardware.

Источник изображения: LANES EPFL

«В настоящее время в квантовых вычислительных системах нет механизма, предотвращающего нагрев кубитов от работающей электроники», — пояснил аспирант Габриэле Паскуале (Gabriele Pasquale). Однако эта технология построена на основе двумерного материала толщиной всего в несколько атомов, и в сочетании с графеном позволяет достичь высокой производительности. Устройство работает на основе эффекта Нернста — термомагнитного явления, при котором в проводнике генерируется электрическое поле под воздействием магнитного поля и разницы температур.

Важно отметить, что новая система охлаждения может быть легко интегрирована в существующие квантовые компьютеры, так как изготовлена из доступных электронных компонентов. «Данные результаты представляют собой значительный прогресс в нанотехнологиях и открывают перспективы для разработки передовых систем охлаждения, необходимых для квантовых вычислений», — подчеркнул Паскуале.

Несмотря на достижение, исследователи отмечают, что данная технология предназначена исключительно для квантовых вычислений и не может быть использована для охлаждения обычных компьютеров.

Одной из проблем масштабирования квантовых компьютеров остаются слишком большие размеры кубитов — элементов, сохраняющих и отдающих квантовые состояния в процессе вычислений. Уменьшить размер кубита мешают множество факторов, среди которых значительное место занимают методы измерения и управления их квантовыми состояниями с помощью микроволн. Это очень неизбирательный метод. Им невозможно «посветить» на электрон или атом, не затронув соседние.

Синяя — подложка, жёлтые — молекулы пентацена. Слева — игла микроскопа над подложкой. Источник изображения: ETH Zürich

В то же время учёным хорошо известно явление, при котором на электроны можно действовать избирательно. Это спин-поляризованный ток, который возникает при правильном приложении электромагнитного поля к источнику электронов. В электромагнитном поле спины электронов принимают одинаковую ориентацию и могут точечно воздействовать на тот же кубит. Именно на этом принципе работает магниторезистивная память с переносом спина (STT-MRAM), которая уже есть в продаже. Учёные из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) решили выяснить, можно ли этим методом управлять квантовыми состояниями атомов или молекул.

Исследователи создали «идеальную», как они утверждают, модель атомов и электронов в свободном состоянии. Для этого они поместили молекулы пентацена (ароматического углеводорода) на серебряную подложку, а ещё ранее на серебряную подложку был нанесён слой оксида магния. Затем на кончике иглы сканирующего туннельного микроскопа были собраны несколько атомов железа — это соорудило там своеобразный магнит, который ориентировал в одном направлении спины слетающих с иглы электронов и, фактически, создавал спин поляризованный ток.

Как выяснилось в ходе экспериментов, возникающий на туннельном эффекте спин-поляризованный ток мог избирательно воздействовать на отдельные молекулы и помогал считывать характеристики облака их электронов. Кроме того, спин поляризованный ток изменял спин молекулы, доказывая, что этот процесс поддаётся контролю и измерению. С помощью радиочастотного излучения (электромагнитного поля) подобного разрешения получить невозможно, что обещает найти применение при разработке масштабируемых квантовых компьютеров.

Учёные из Технологического университета Сиднея разработали и готовы продавать через компанию Eigensystems крошечные персональные эмуляторы отказоустойчивых 30-кубитовых квантовых компьютеров Quokka («Квокка»). Новинка «демократизирует» квантовые вычисления, создавая основу для появления широкого круга специалистов среди нового поколения учёных, инженеров, программистов, преподавателей и любителей.

Источник изображений: Andy Roberts

Квокка — одно из самых симпатичных сумчатых Австралии — изображён на верхней крышке корпуса эмулятора квантового компьютера, а первые две буквы названия этих животных намекают на кубиты. Платформу разработали два специалиста Центра квантового программного обеспечения и информации (QSI) Технологического университета Сиднея — Саймон Девитт (Simon Devitt) и Крис Ферри (Chris Ferrie). Решение задумано как обширная образовательная экосфера с уроками, проектами и сообществом.

«Традиционное STEM-образование основано на педагогике 100-летней давности в мире, управляемом обработкой информации. Слово "квант" не фигурирует ни в национальной, ни в какой-либо другой государственной учебной программе, — поясняют цель своей разработки учёные. — Квантовая грамотность определит передний край инноваций XXI века, но до сих пор не было ясного пути в сферу квантовых вычислений для студентов, преподавателей и любителей, чтобы исследовать эту область и открывать возможности».

Устройство Quokka представляет собой доступный по цене удобный эмулятор персонального квантового компьютера, который может запускать языки программирования, написанные для квантовых вычислений, и возвращать результаты. Компания Eigensystems начала принимать заявки на устройство, поставки которого стартуют в июле. Quokka эмулирует то, чего пока не существует — отказоустойчивый квантовый компьютер ёмкостью 30 кубит. Но он позволит уже сейчас изучать приложения квантовых вычислений, обеспечивая практику и опыт, используя самые передовые технологии.

«Это позволяет вам экспериментировать и узнавать о квантовых алгоритмах и программах, взаимодействуя с ним точно так же, как вам пришлось бы взаимодействовать с будущим отказоустойчивым квантовым компьютером», — говорят разработчики.

Базовый уровень платформы включает в себя три программных интерфейса. На продвинутом уровне представлена обширная библиотека материалов с доступом к урокам, руководствам, кураторским проектам сообщества и возможностью делиться проектами и совместно их создавать.

На уровне Quokka Stories — сборнике уроков, основанных на повествовании — происходит ориентация на образовательную программу, переосмысливающую науку, технологию, инженерное дело и математику через призму обработки информации. Поскольку люди пока плохо представляют, как и зачем использовать квантовые платформы, возможность ознакомиться с ними хотя бы на уровне простейших эмуляторов — это правильное решение, на которое стоило бы обратить внимание образовательным учреждениям.

Учёные из научно-образовательного центра «Функциональные микро/наносистемы», созданного на базе МГТУ им. Н.Э. Баумана и Всероссийского научно-исследовательского института автоматики (ВНИИА) им. Н.Л. Духова, запустили сверхпроводниковый квантовый процессор, показавший самую высокую точность операций среди отечественных устройств. Его характеристики сопоставимы с достижениями ведущих мировых разработчиков квантовой техники.

Источник изображений: пресс-служба МГТУ им. Н. Э. Баумана

Согласно имеющимся данным, точность выполнения на новом устройстве простых однокубитных алгоритмов составила 99,76 %, а более сложных двухкубитных — 99,11 %. Достигнутые результаты являются рекордными для российской науки и вполне сопоставимы с лучшими достижениями зарубежных разработчиков. Например, самый современный квантовый процессор IBM Torino 133 с архитектурой Heron R1 показывает среднюю точность двухкубитных операций 99,14 %, что незначительно лучше результата российского аналога.

Напомним, квантовые процессоры представляют собой устройства, использующие принципы квантовой физики для обработки информации. Вычислительные операции реализуются с помощью частиц в состоянии суперпозиции, т.е. они могут находиться в нескольких местах или проявлять несколько свойств одновременно. Это даёт возможность осуществлять проведение множества параллельных операций, что повышает скорость расчётов и снижает задействованные для этого вычислительные мощности. При этом результаты квантовых вычислений носят вероятностный характер.

Новый квантовый процессор называется Snowdrop 4Q. Система состоит из чипа на основе четырёх кубитов, модулей считывания их сигналов с параметрическими криоусилителями и блоков управляющей электроники. Полученные характеристики квантового процессора позволили впервые в РФ реализовать серию сложных алгоритмов, состоящих из сотни квантовых логических операций. Помимо прочего, была смоделирована намагниченность материала (модель Изинга), решено уравнение теплопроводности и реализован квантовый алгоритм для решения систем уравнений.

«Лучшее испытание для процессора — это запустить на нём сложный алгоритм с использованием всех имеющихся кубитов, что мы и сделали. Непосредственно калибровка и полная характеризация квантовой системы — сложный процесс, и над ним мы работали последние три месяца. Точности логических операций, которых достиг наш чип, позволили провести целую серию операций, направленных на решение практических задач ФГУП ВНИИА», — рассказал ведущий разработчик квантовых процессоров Научно-образовательного центра Никита Смирнов.

Он также сообщил, что в рамках проведённых экспериментов учёные опробовали свой метод смягчения ошибок, в основе которого нейросетевое обучение. Для оценки результатов, полученных с помощью Snowdrop 4Q, исследователи запустили те же алгоритмы на 127-кубитном чипе IBM Eagle в облачном доступе. В итоге точности отечественного процессора подтвердились на более мощном американском аналоге.

Результат выполнения алгоритма HHL

Научный руководитель ВНИИА Александр Андрияш рассказал, что команда исследователей разрабатывает и реализует ряд практически значимых квантовых алгоритмов, которые позволят ускорить процесс решения важных задач для физического моделирования. «Мы достигли знакового результата, к которому шли почти три года — от разработки эффективного квантового алгоритма до его запуска на квантовом «железе». В итоге мы убедились в том, что наш подход работает и, более того, прокладывает путь к созданию практически полезного вычислителя. В планах — дальнейшее улучшение уже серийных технологий изготовления квантовых устройств и увеличение количества кубитов с повышением точности квантовых операций», — рассказал Александр Андрияш.

Результаты расчетов динамики цепочки Изинга на процессорах Snowdrop 4Q и IBM

Учёный уточнил, что представленная разработка представляет собой сопроцессор для классического компьютера. С его помощью удастся решить наиболее трудные для традиционной микроэлектроники подзадачи. Также известно, что чипы изготовлены по воспроизводимой технологии Научно-образовательного центра, что позволит развивать мощности уже созданного вычислительного комплекса, а также сделает возможным серийное изготовление новых квантовых компьютеров, ориентированных на конкретные технические проекты.

Результаты характеризации квантового процессора Snowdrop 4Q

«Результаты, полученные учёными, по сути, означают, что в нашей стране создан независимый, работоспособный, пусть и небольшой, квантовый компьютер. Это даёт возможность отечественным науке и промышленности решать задачи, используя квантовые вычисления, на собственной технологической базе, что позволяет прогрессировать вне зависимости от международной обстановки», — считает профессор кафедры атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники МГУ Николай Кленов. По его мнению, уже в скором времени квантовые процессоры станут обязательной частью инфраструктуры любого суперкомпьютера. Такой подход позволит в значительной степени расширить функциональность вычислительных комплексов и обеспечить прорывы в материаловедении, ядерных технологиях, высокоточной микроэлектронике и др.

Даже большинству специалистов квантовые вычислители представляются запредельно сложными устройствами, к которым можно подходить лишь с высокой академической степенью за плечами. Компания D-Wave спешит разрушить это впечатление, по крайней мере, по отношению к своим платформам. Только что представленная гибридная квантово-классическая система требует лишь корректной постановки задачи. С этим справится даже неспециалист, что даст быструю практическую выгоду.

1200-кубитовый процессор поколения Advantage 2. Источник изображения: D-Wave

Как пояснил на конференции Qubits 2024 вице-президент D-Wave по квантовым технологиям, Мюррей Том (Murray Thom), о революции в квантовых вычислениях и сложном и длинном пути к ней говорит тот, кто только в начале этого пути. Компания D-Wave давно преодолела этот этап, добравшись до стадии практического применения квантовых вычислений.

«Мы сосредоточены на том, чтобы упростить людям создание приложений с помощью этой технологии, — пояснил Том. — И это основное внимание в случае нового вычислителя для нелинейного программирования, который мы выпускаем. Таким образом, он представляет более мощный способ получить решение проблемы».

По словам управленца D-Wave, новая система с возможностью использовать до 2 млн переменных и констант на порядок производительнее других квантовых платформ компании. В основе гибридного компьютера лежит далеко не новая архитектура D-Wave — платформа Advantage. Первые системы Advantage компания начала поставлять заказчикам в сентябре 2020 года. В максимальной конфигурации компьютер Advantage содержал 5000 кубитов в кластерах по 15 кубитов в каждом (запутанность обеспечивалась лишь внутри кластеров).

Новая система Advantage 2 пока добралась лишь до 1200 кубитов, но теперь каждый кластер содержит по 20 кубитов (связей) и это пока другая и всё ещё не ясная до конца история. Поэтому компания довела до коммерческой зрелости предыдущую платформу и предоставила к ней облачный доступ D-Wave Leap quantum cloud. Если клиент затрудняется поставить задачу, специалисты компании всегда могут перевести его требования в понятные инструкции для решения задачи квантовой системой.

Например, ещё в «ковидные» времена D-Wave помогла компании Pattison Food Group организовать оптимальную индивидуальную доставку продуктов на дом, сэкономив менеджерам 80 % времени на составление расписания курьерам. Платформы D-Wave используют принцип так называемого квантового отжига, что идеально для оптимизации множества задач. Теперь эта услуга будет доступна в облаке с наименьшими затратами для клиентов, если сравнивать предоставление аналогичных услуг компаниями с суперкомпьютерами.

Немало молодых компаний ищут себя в сфере квантовых вычислений, ведь здесь есть потенциал быстро выбиться в лидеры молодой отрасли. Среди новичков выделяется компания Quantinuum, привлекшая внимание таких гигантов, как JPMorgan Chase и Microsoft. Новая работа исследователей Quantinuum показала значительный прогресс в деле безошибочных квантовых вычислений на уже имеющемся оборудовании. Практическое применение квантовых систем приближается.

Процессор Quantinuum H2. Источник изображения: Quantinuum

Компания Quantinuum разрабатывает вычислительные квантовые платформы на ловушках ионов. Ранее она вместе с Microsoft на системе с процессором Quantinuum H2 показала существенное снижение ошибок кубитов при выполнении операций на 30-кубитовой платформе. Подобное приближает появление практически ценных квантовых вычислителей с относительно небольшим количеством кубитов, для создания которых не придётся строить отдельные помещения и комплексы зданий — хватит небольшой комнаты. Новая работа на улучшенном 56-кубитовом процессоре H2-1 ещё больше укрепляет уверенность в том, что безошибочные квантовые вычислители не за горами.

Используя тот же метод расчёта, с помощью которого компания Google в 2019 году доказала квантовое превосходство 53-кубитовой фирменной системы Sycamore над классическими компьютерами, Quantinuum вместе с командой из JPMorgan Chase смогла на два порядка улучшить результаты Google. Более того, платформа Quantinuum позволила проделать расчеты со снижением потребления энергии в 30 тыс. раз по сравнению с вычислениями на обычных суперкомпьютерах. Это установило новую планку производительности квантовых вычислителей, как пояснили в Quantinuum, которую теперь предстоит преодолеть конкурентам.

В своё время компания Google подверглась немалой критике со стороны IBM, с чьей классической системой они сравнили возможности Sycamore, а также со стороны многочисленных групп учёных, доказавших неоправданность подобных сравнений. Как видим, компании Quantinuum это не помешало, чтобы снова показать превосходство квантовых платформ в определённых задачах.

Поясним, речь идёт о работе алгоритмов по расчётам в области выборки случайных цепей (random circuit sampling). Берётся случайная цепь квантовых вентилей, которая генерирует случайные результаты, а алгоритмы должны вычислить распределение результатов и предсказать их отклонение от нормального. Единственная на сегодня вменяемая цель всего этого — создание истинно случайных значений (генератор случайных чисел). Но получается слишком дорого. Зато с позиции Google и других, методика расчёта RCS — это лучшая основа для доказательства квантового превосходства.

Ученые разработали метод получения сверхчистого кремния, который применяется для производства чипов. Используя стандартное оборудование, они добились снижения доли примесей кремния-29 в чипах до 0,0002 %. Данный способ позволит создавать более мощные квантовые компьютеры с большим количеством кубитов, сообщает New Atlas.

Источник изображения: Kandinskiy

Кремний заслуженно считается одним из ключевых материалов, лежащих в основе современных электронных устройств и компьютерных технологий. Его значение настолько велико, что в его честь даже названа знаменитая Кремниевая долина в Калифорнии — место, где зародились многие IT-гиганты. Однако у кремния есть и определенные недостатки, ограничивающие его применение в перспективных областях, таких как квантовые вычисления.

Исследователи из Мельбурнского и Манчестерского университетов разработали метод получения сверхчистого кремния с помощью стандартного оборудования — ионного имплантатора. С помощью этой установки, которая широко применяется в полупроводниковой промышленности, компьютерный чип был «обстрелян лучом» кремния-28, в процессе чего примеси кремния-29 были заменены на более желательный кремний-28, и в результате, концентрация кремния-29 в чипе снизилась с 4,5 % до 0,0002 %.

Почему чистота кремния важна для квантовых компьютеров? Дело в том, что в основе работы квантовых компьютеров лежат кубиты — квантовые биты, использующие принципы квантовой механики. Они крайне чувствительны к любым внешним воздействиям и должны находиться в состоянии квантовой когерентности.

Однако натуральный кремний содержит примерно 4,5 % изотопа кремний-29, имеющего дополнительный нейтрон. Эти нейтроны ведут себя как микроскопические магниты, нарушая когерентность кубитов и вызывая ошибки в квантовых вычислениях. Таким образом, использование натурального кремния существенно ограничивает возможности квантовых компьютеров, и для их полноценной работы требуется гораздо более чистый кремний с минимальным содержанием изотопа кремний-29.

Кремний с высокой чистотой может позволить значительно расширить возможности квантовых компьютеров, так как чем больше кубитов содержит квантовый чип, тем он мощнее. Сверхчистый кремний, который получили ученые, в данном случае поможет стабилизировать работу таких многокубитных систем. В дальнейшем планируется протестировать разработанные сверхчистые кремниевые структуры на реальных квантовых устройствах. А успешные результаты могут привести к появлению квантовых компьютеров нового поколения.

Японское правительство планирует расширить ограничения на экспорт ещё четырёх технологий, связанных с полупроводниками и квантовыми вычислениями. Новые меры коснутся сканирующих электронных микроскопов, используемых для анализа изображений наночастиц и транзисторов Gate all around. Потребуются лицензии на поставки криогенных КМОП-схем, используемых в квантовых компьютерах, а также на сами квантовые компьютеры.

Источник изображения: unsplash.com

Поставки этих технологий во все страны, включая таких давних стратегических партнёров, как Южная Корея, Сингапур и Тайвань, потребуют одобрения чиновников экспортного контроля. Ужесточение экспортного контроля — очередной шаг Японии в глобальном стремлении контролировать поток стратегических технологий. Этот шаг призван улучшить контроль за экспортом компонентов военного назначения и согласуется с аналогичными тенденциями по всему миру, заявило в пятницу Министерство экономики, торговли и промышленности. Изменения вступят в силу в июле 2024 года, после периода общественного обсуждения до 25 мая.

В прошлом году Япония расширила ограничения на экспорт 23 видов передовых технологий производства микросхем. Эта мера последовала за попытками США ограничить доступ Китая к ключевым полупроводниковым процессам. Официальные лица Вашингтона оказывают давление на своих международных партнёров, таких как Япония и Нидерланды, требуя присоединиться к торговым санкциям в отношении Китая, который США рассматривают как геополитического и потенциально военного соперника.

Группа китайских учёных из Университета электронных наук и технологий Китая (UESTC), Университета Цинхуа и Шанхайского института микросистем и информационных технологий создала полупроводниковый источник запутанных фотонов, что может стать «замечательным потенциалом» для создания небольших и надежных квантовых чипов. В основе разработки лежит нитрид галлия (GaN), десятилетиями использующийся для выпуска синих светодиодов.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Запутывание фотонов позволяет защищать передаваемую информацию (квантовое распределение ключей) и выполнять квантовые вычисления или симуляции. И первые, и вторые операции можно выполнять с помощью пар запутанных фотонов. Другое дело, что их запутывание остаётся относительно сложным процессом, требующим особенных источников света, к примеру, на основе нитрида кремния или фосфида индия. Переход на нитрид галлия, хорошо знакомый производителям светодиодов и чипов, позволит шире и мощнее использовать квантовые каналы связи, а также подумать о создании квантовых систем на чипе.

Разработанный китайскими учёными источник запутанных фотонов представляет собой вытравленное на плёнке нитрида галлия кольцо диаметром 120 мкм (сама плёнка выращена на сапфировой подложке традиционным способом). При освещении кольца лучом лазера в инфракрасном диапазоне часть фотонов оказываются в своеобразной ловушке и начинают перемещаться по кольцу. Некоторые из таких частиц становятся резонансными парами. Резонансные пары, в свою очередь в процессе так называемого четвертьволнового смешения — известного явления в нелинейной оптике (кольцо из нитрида галлия — это и есть нелинейный оптический канал), порождают новую пару уже запутанных друг с другом частиц.

Измерения показали, что возникающая в кольце нитрида галлия запутанность такого же качества, как и в случае с другими квантовыми источниками света. Иными словами, предложенное решение можно брать на вооружение при проектировании оборудования для квантовых каналов связи и для квантовых процессоров. Более того, диапазон длин волн у GaN-источника света простирается до 100 нм против 25,6 нм у «традиционных» источников света. А это, в свою очередь, позволит расширить и уплотнить каналы передачи квантовой информации.

По словам разработчиков, помимо квантового источника света, GaN также является многообещающим материалом для изготовления других компонентов квантовых схем, включая лазер с накачкой и детекторы лёгких частиц. «Платформа GaN имеет значительные перспективы для создания квантовых фотонных интегральных схем “всё на кристалле” по сравнению с существующими платформами», — резюмируют учёные.

Чувствительность квантовых состояний к слабейшим внешним помехам продолжает оставаться камнем преткновения на пути к квантовому интернету и распределённым квантовым вычислениям. Решением проблемы станет открытие квантовой памяти, которая позволит сохранять и считывать квантовые состояния без разрушения. Это сняло бы проблему квантовых повторителей и развёртывания глобальных сетей квантового интернета.

Источник изображений: Imperial College London

Группа учёных из Имперского колледжа Лондона предложила свой способ решения этих проблем. Они создали и испытали платформу по записи квантовых состояний фотонов в облаке атомов рубидия. Нейтральные холодные атомы, как хорошо известно, часто выступают в роли платформ с ярко выраженными квантовыми свойствами.

Исследователи создали целую систему для генерации фотонов, преобразования их длин волн в необходимую для передачи по волоконно-оптической сети и записи в облако атомов рубидия. Своеобразным активатором «памяти» стал лазер, импульс которого включал её и отключал. Фотоны генерировались квантовыми точками, а затем с помощью фильтров и модуляторов им придавалась другая частота, соответствующая длине волны 1529,3 нм для передачи по оптике.

До попадания в облако атомов рубидия частота фотонов подвергалась ещё одной корректировке, но уже с прицелом на то, чтобы атомы рубидия могли их поглощать. Такую память назвали ORCA (нерезонансное каскадное поглощение). Лазерный импульс, о котором упоминали выше, своим воздействием менял свойства атомов рубидия по поглощению фотонов.

Эксперименты показали, что система может работать на стандартном оптоволоконном оборудовании. Эффективность сохранения квантовых состояний фотонов с последующим их извлечением без разрушения составила 12,9 %. Очевидно, что для внедрения этой разработки в практику пройдут годы, если не десятилетия, но это уже тот результат, который можно развивать. К счастью, он такой не один и что-то может стать реальностью намного раньше. Например, предложенная датчанами оптико-механическая квантовая память на запоминании квантовых состояний фотонов в фононах. Но это уже другая история.

Компания Microsoft совместно с разработчиком квантовых компьютеров Quantinuum сообщила о разработке методологии, которая позволяет значительно снизить частоту появления ошибок при исполнении квантовых алгоритмов. Решение Microsoft не только снижает частоту появления ошибок, но также позволяет исправлять ошибки, что открывает путь к коммерческим квантовым системам и новой эре в вычислениях.

Источник изображения: Microsoft

Современные квантовые платформы подвержены шуму и поэтому ошибки вычислений на них неизбежны и многочисленны. Например, согласно анализу специалистов Google, для достижения полной безошибочности вычислений каждый логический кубит должен состоять из 1000 физических кубитов. Тем самым коммерчески значимый квантовый компьютер из 1000 логических кубитов, на которых будут исполняться алгоритмы, должен состоять из 1 млн физических кубитов. Это будет безумно дорого, но также неэффективно уверяют в Microsoft.

«Простое увеличение числа физических кубитов с высокой частотой ошибок — без улучшения этого показателя — бесполезно, поскольку в результате большой квантовый компьютер станет не более производительным, чем раньше, — утверждают Деннис Том (Dennis Tom), генеральный менеджер Azure Quantum, и Криста Своре (Krysta Svore), вице-президент подразделения Advanced Quantum Development Microsoft. — Напротив, когда физические кубиты с достаточным качеством работы используются со специализированной системой управления и диагностики для обеспечения работы виртуальных кубитов, только тогда увеличение числа физических кубитов приводит к созданию мощных, отказоустойчивых квантовых компьютеров, способных выполнять более длительные и сложные вычисления».

Иначе говоря, необходимы такие решения, которые помогут снизить как частоту появления ошибок физических кубитов, так и логических. Это позволит создавать логические кубиты из меньшего числа физических кубитов и быстрее приведёт к появлению коммерчески значимых квантовых систем, ведь, худо-бедно, а собрать сегодня платформу из 1000 физических кубитов — это реально.

Используя квантовую платформу компании Quantinuum на ловушках ионов и фирменный процессор Quantinuum H2, команда исследователей смогла объединить 30 физических кубитов в четыре высоконадёжных логических кубита. На этих четырёх кубитах было запущено свыше 14 тыс. алгоритмов, в процессе обработки которых не возникло ни единой ошибки. Отдельные эксперименты были посвящены исправлению ошибок логических кубитов без разрушения их состояния. По мнению постановщиков экспериментов — это прорыв и начало новой эры квантовых вычислений.

Это шаг в правильном направлении для квантовых вычислений. Остается ещё много проблем, которые предстоит решить, а затем повсеместно внедрить, но теоретически компьютер со 100 такими логическими кубитами уже может быть полезен для решения некоторых задач, тогда как система с 1000 кубитами, по словам Microsoft, «может обеспечить коммерческое преимущество».

Работа специалистов Microsoft, посвящённая этому исследованию, свободно доступна по ссылке.

Плюсы и минусы использования памяти 3D NAND очевидны: плотность и дешевизна играют против сложности алгоритмов и высокого износа. С кубитами в квантовых процессорах аналогичный подход может дать больше выгоды. Они тоже могут быть многоуровневыми, что увеличит плотность без усложнения архитектуры, а масштабирование квантовых систем пока является большой проблемой. Российские физики выбрали путь использования многоуровневых кубитов и это приносит результат.

Выпущенный в России 8-кубитный процессор. Источник изображения: Университета МИСИС

В журнале Physical Review A. (Q1) вышла новая статья за авторством исследователей Университета МИСИС, Российского квантового центра, ФИАН им. Лебедева и МФТИ, в которой доказана эффективность кутритов — трёхуровневых квантовых систем. Работа освещает два важных аспекта. Во-первых, это независимость от выбора платформы — кубит может быть в принципе любым. Во-вторых, один многоуровневый кубит может заменить два обычных для исполнения алгоритма. В качестве дополнительного эффекта можно ещё назвать симуляцию физических явлений, которые не поддаются расчётам на классических компьютерах.

«Для меня этот результат представляется важным прежде всего потому, что одновременно, фактически в параллельном режиме, квантовые алгоритмы были запущены на двух совершенно разных физических платформах — сверхпроводящей и ионной — в двух ведущих российских исследовательских центрах. Идентичность результатов указывает на высокую достоверность и воспроизводимость расчётов на разных аппаратных средствах и, конечно, на справедливость квантовых постулатов. И, конечно, тот факт, что мы впервые использовали ионные и сверхпроводящие кутриты также выделяет данное исследование: в мире насчитывается всего несколько групп, которые овладели этим методом», — сообщил директор Физического института им. П.Н. Лебедева РАН Николай Колачевский.

Исследователи использовали кутриты — кубиты с двумя основными состояниями и одним дополнительным. В ФИАН была создана платформа на ионах в ловушке, а в НИТУ МИСИС на сверхпроводниковом 8-кубитном процессоре. С помощью кутритов исследователи смоделировали неравновесный фазовый переход нарушения симметрии чётности и времени. Такая симметрия нарушается, если изолированная физическая система начинает взаимодействовать с окружающим миром, теряя при этом часть своей энергии.

Фактически платформами на кутритах был выполнен алгоритм, позволивший смоделировать различные режимы затухающих колебаний абстрактной квантовой системы. Подобная концепция ранее была предложена научной группой хельсинского университета Аалто, однако, в отличие от финских коллег, российским учёным для реализации идеи потребовался всего лишь один кутрит вместо двух полноценных кубитов, что является более экономичным решением с точки зрения ресурсов квантового процессора.

Предложенный подход обещает приблизить практическую ценность квантовых платформ без достижения умопомрачительного количества кубитов в архитектуре. Алгоритмы будут сложнее — этого не отнять. Но с математикой в России всегда было хорошо и это, очевидно, проще, чем создать ресурсоёмкий квантовый компьютер.

«Исследование дополнительного уровня на сверхпроводниковых кубитах представляет для нас больший интерес. Проделанная работа является важным шагом на пути к реализации защищенных логических кубитов с использованием кодов коррекции квантовых ошибок, так как именно утечка квантовой информации на этот уровень считается наиболее трудно исправляемой ошибкой. Кроме того, дополнительный уровень даёт новые возможности с точки зрения выполнения квантовых алгоритмов здесь и сейчас», — сообщила первый автор работы, сотрудник РКЦ и лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий Университета МИСИС Алёна Казьмина.

Но самое главное в проделанной работе — это потенциал к дальнейшему наращиванию числа состояний у отдельных кубитов. Ведь таких может быть больше трёх, что наглядно демонстрирует та же память 3D NAND. Поэтому российские физики не забывают также о куквартах, куквинтах и других многоуровневых кубитах. Но это уже другая история.

Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия), первыми продемонстрировали жизнеспособность «горячих кубитов», концепции которая ранее воспринималась как теоретическая. Разработка учёных на основе спиновых кубитов смогла выполнить операции при температуре в 20 раз выше, чем системы IBM и Google на сверхпроводящих кубитах. Это шаг в будущее к практичным квантовым вычислителям, заявляют разработчики.

Источник изображения: Anna Kucera

В прошлом специалисты UNSW неоднократно доказывали свою состоятельность в разработке квантовых вычислительных платформ. Новый проект обещает сделать квантовые компьютеры дешевле и надёжнее за счёт относительно большого скачка в необходимых для работы системах охлаждения. В случае реализации квантового процессора по новой технологии, охлаждать систему придётся не до долей К в районе абсолютного нуля, а всего до 1 К (кельвина) или до -272 °C вместо -273,15 °C.

На первый взгляд, разница незначительная. Но по факту — это условная пропасть между двумя показателями. И дело не только в том, что охлаждать до 1 K будет проще и дешевле, чем до 0 К. При температуре -272 °C уже могут работать кремниевая электроника, что позволит напрямую сопрягать квантовые (кубитовые) процессоры и обычные процессоры.

Это значит, что вся платформа поместится под одним теплоизоляционным кожухом без необходимости интерфейса между блоками с разным уровнем охлаждения. Масштабировать такие решения станет проще, а также появится возможность использовать классическую логику для коррекции ошибок квантовых алгоритмов.

«Хотя наши квантовые процессоры по-прежнему требуют охлаждения, стоимость и сложность всей системы значительно снижаются при таких повышенных температурах, — говорят разработчики. — Мы были мотивированы задачей достижения высокоточного управления кубитами, их инициализации и считывания данных при повышенных температурах».

Квантовые процессоры Intel на спиновых кубитах работают при температуре менее 1 К, что делает платформу компании более сложной и дорогой. В то же время Intel создаёт классическую логику для управления кубитами при охлаждении до сверхнизких температур, например, 22-нм чипсет Horse Ridge. Однако SoC Horse Ridge не может быть охлаждён ниже температуры 4 К, что заставляет охлаждать их отдельно и соединять через термоинтерфейс. Разработка австралийцев позволила заметно сузить разницу в охлаждении квантовых процессоров и логики и, похоже, постепенно позволит создать общую или гибридную квантовую платформу.

Компания Rolls-Royce обратилась к квантовым вычислениям, чтобы узнать о подходах для обеспечения безопасной эксплуатации малых ядерных реакторов на удалённых площадках. В будущем ожидается создание множества компактных ядерных силовых установок для добывающих компаний на Земле и в космосе. Все они будут работать под дистанционным наблюдением с локальной автоматикой, для создания надёжных алгоритмов которой привлекаются квантовые компьютеры.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

В Великобритании с лета 2023 года запущена программа раннего доступа к квантовым технологиям (QTAP). Квантовые алгоритмы запускаются на фотонном оборудовании компании Orca Computing с привлечением безошибочных методологий компании Riverlane. Наряду с Rolls-Royce к программе QTAP получили доступ или ждут своей очереди компании Arup, Airbus и порт Дувра. Доступ к программе осуществляется через посредничество национальной программы Digital Catapult, призванной обеспечить промышленности Великобритании доступность квантовых вычислений.

Компания Rolls-Royce прогнала через квантовый вычислитель данные об аварии на АЭС «Фукусима». Она изучала возможность использования модели квантового машинного обучения для быстрого выявления потенциально опасных ситуаций. Это позволило бы реактору безопасно работать и при необходимости останавливаться с минимальным участием человека. О результатах проведенного эксперимента не сообщается. Возможно, понадобятся новые сеансы расчётов.

Джонатон Адамс (Jonathon Adams), помощник главного инженера Rolls-Royce, сказал: «Новая ядерная команда Rolls-Royce очень ориентирована на будущее, стремясь разрабатывать новые революционные технологии и исследовать энергоэффективные приложения для ядерной энергетики на Земле и в космосе. Квантовые технологии, включая квантовые вычисления, будут способствовать этому в течение следующих 15 лет. Важно, чтобы мы развили понимание того, как и когда мы сможем внедрить эту технологию».