На сайте ArXiv обнаружился препринт статьи исследователей Google, в котором заявлено о достижении компанией квантового превосходства в вычислениях. Это означает, что квантовые компьютеры за секунды справляются с алгоритмами, на решение которых классическим компьютерам требуются десятки и даже тысячи лет. Четыре года назад компания уже объявляла о подобном достижении, но его оспорили. Сегодня Google уверена в себе как никогда.

Источник изображения: Google

Ещё в 2019 году Google заявила, что её 53-кубитовый компьютер Sycamore за 200 секунд выполнил алгоритм, на исполнение которого суперкомпьютеру IBM Summit потребовалось бы 10 тыс. лет. Тем самым компания заявила о достижении квантового превосходства. За такое заявление Google подверглась аргументированной критике и затихла на долгие четыре года. Новая работа — «Фазовый переход в случайной выборке цепей» — фактически повторяет предыдущий эксперимент, но уже на более мощной 70-кубитовой вычислительной платформе. Для квантовых систем с их бесконечной вероятностью значений от 0 до 1 на каждом кубите увеличение платформы на 25 кубитов экспоненциально или в сотни миллионов раз увеличивает квантовую производительность.

С таким ростом производительности Google надеется закрепиться в области, куда ещё не ступала нога айтишника. С практической точки зрения алгоритм не имеет никакой ценности — на квантовых схемах генерируются случайные состояния, а система их считывает до нарушения когерентности (разрушения квантового состояния). По словам Google, на 70 кубитах задача решается за 6,5 с. Самый мощный суперкомпьютер современности — экзафлопсный Frontier — будет исполнять этот же алгоритм 47 лет. Заметим, это не 10 тыс. лет, как в предыдущем заявлении, но тоже впечатляет. Вероятно, Google сделала выводы из нападок на неё в прошлый раз и решила выступить не так радикально.

Кстати, специалисты Google, по заявлению The Telegraph, также далеко обогнали китайских коллег, которые, по словам издания, считаются лидерами в области квантовых вычислений.

В статье специалисты компании резюмируют: «Мы пришли к выводу, что наша демонстрация находится в режиме за пределами классических квантовых вычислений». Иными словами, классические системы не способны обрабатывать квантовые алгоритмы за разумное время. В интервью изданию The Telegraph исполнительный директор занятой квантовыми проблемами компании Riverlane Стив Брайерли (Steve Brierley) заявил: «Споры о том, достигли ли мы или действительно можем достичь квантового превосходства, теперь разрешены».

Но всё ли так хорошо? Глава компании Universal Quantum из Брайтона Себастьян Вайдт (Sebastian Weidt) отметил, что было бы неплохо, если бы квантовые компьютеры показали больше практической ценности. В ответ на заявление Google он сказал: «Это очень хорошая демонстрация квантового преимущества. Хотя с академической точки зрения это большое достижение, используемый алгоритм не имеет практического применения в реальном мире».

Тем самым Google доказала квантовое превосходство в области, которая не имеет никакой практической ценности. Впрочем, это не совсем так. Ценность есть и заключается она в изучении устойчивости квантовых вычислений к шумам, а это краеугольный камень будущих универсальных квантовых компьютеров.

В то же время даже такой синтетический алгоритм позволил узнать нечто новое об устойчивости квантовых состояний к помехам. Специалисты смогли оценить влияние ошибок на результаты вычислений, что в ряде случаев вело к появлению новых состояний в системе. Эти оценки могут помочь в исправлении ошибок или в смягчении их влияния на конечный результат. Но можно ли это назвать квантовым превосходством? В любом случае, Google снова выбросила на арену научных споров «красную тряпку». Это гарантировано вызовет волну новых диспутов на тему квантового превосходства и это просто замечательно. Истина рождается в споре.

В обычном мире невозможно произнести слова в пустой комнате, а спустя время зайти и послушать сказанное ранее. Но в квантовом мире такое возможно и это открывает путь к механическим записывающим устройствам для квантовых компьютеров — данные предложили хранить в звуковых волнах.

Источник изображения: Pixabay

Очевидно, что без возможности запоминать промежуточный результат квантовые вычисления будут сильно ограничены, а их масштабирование столкнётся с трудностями. Группа исследователей из Калифорнийского технологического института предложила полностью новый подход для запоминания квантовой информации. Учёные предложили переводить электрические квантовые состояния в звуковые волны и извлекать их, когда это необходимо.

Разработка опирается на то, что монокристаллы при сверхнизких температурах могут исключительно долго находиться в состоянии колебаний. Этот эффект наблюдается в колебаниях таких квазичастиц, как акустические фононы. Частота колебаний лежит в гигагерцовом диапазоне и время жизни фононов значительно превышает все иные альтернативные методы механической записи информации, утверждают исследователи.

Чтобы передать электрическое квантовое состояние на «звучащий» фонон достаточно поместить заряд на колеблющийся кристалл. Воздействуя на заряд (заряжённый кристалл), мы меняем частоту колебания фононов и, тем самым, записываем бит информации. Этим обеспечивается электрическая связь между квантовыми платформами и механической запоминающей системой.

Учёные подчёркивают, что до них нечто подобное предлагалось сделать на основе пьезоэлектрических элементов. Однако пьезоэлектрики требуют особых материалов и специальных условий производства, тогда как в предложенной ими системе используются самые обычные материалы.

В журналах Nature и Science группа учёных из Вашингтонского университета сообщила об обнаружении признаков теоретически перспективных топологических кубитов — энионов (не путать с анионами). В своё время топологические квантовые вычисления и энионы как кубиты предложил использовать российский физик Алексей Китаев, но с практической и даже экспериментальной реализацией этих возможностей так и не сложилось. Новое открытие обещает с этим помочь.

Дробление заряда электрона на три части в представлении художника. Источник изображения: Eric Anderson/University of Washington

В общем случае топологические квантовые вычисления предполагают использовать топологические кубиты, которые от обычных кубитов отличаются очень высокой устойчивостью к внешним возмущениям. Это означает, что квантовая система будет свободна от ошибок даже при довольно большом числе кубитов в системе. Китаев предложил на роль топологических кубитов двумерные топологические фазы с анионами в которых наблюдается дробный квантовый эффект Холла (FQAH, fractional quantum anomalous Hall).

И вот теперь о надёжном обнаружении признаков дробного эффекта Холла сообщили американские учёные. Открытие знаменует собой первый и многообещающий шаг в создании отказоустойчивого кубита, потому что состояния FQAH могут содержать энионы — странные «квазичастицы», которые имеют лишь часть заряда электрона. Некоторые типы анионов, как предсказывал Китаев, можно использовать для создания так называемых «топологически защищённых» кубитов, устойчивых к любым небольшим локальным возмущениям.

«Это действительно устанавливает новую парадигму для изучения в будущем квантовой физики с дробными возбуждениями», — сказал Сяодун Сюй (Xiaodong Xu), ведущий автор работ, который также является заслуженным профессором физики Boeing и профессором материаловедения и инженерии в Университете Вашингтона.

Добиться заявленного эффекта учёные смогли при постановке эксперимента с двумя «чешуйками» такого двумерного полупроводникового материала, как теллурид молибдена (MoTe₂). Одну пластинку толщиной в атом наложили на другую и слегка повернули, чтобы атомные решётки образовали муар. В результате электроны выстроились в структуру, которая воспроизвела новую экзотическую форму материи со своими свойствами.

Например, структура проявила магнетизм без приложения внешнего магнитного поля. И если в обычных условиях для возникновения квантового эффекта Холла требуются сильнейшие магнитные поля, что ставит крест на практической ценности явления, то в новом состоянии вещества внутренний магнетизм привёл к возникновению этого эффекта и к появлению энионов (к «расщеплению» заряда взаимодействующих электронов на дробные и устойчивые части). Из этого возникает устойчивость кубитов и возможность их связанного или запутанного состояния — всё, что нужно для устойчивых квантовых вычислений.

Более того, предложенная платформа обещает помочь в исследовании других не менее экзотических квазичастиц, также предложенных Китаевым в кандидаты топологических кубитов — неабелевых энионов.

«Этот тип топологического кубита будет принципиально отличаться от тех, которые могут быть созданы сейчас, — сказал докторант физики Университета Вашингтона Эрик Андерсон (Eric Anderson), ведущий автор статьи в Science и соавтор статьи в Nature. — Странное поведение неабелевых энионов сделало бы их гораздо более надежными в качестве платформы квантовых вычислений».

Microsoft конкретизировала свои планы по созданию собственного квантового компьютера с использованием топологических кубитов — над этим решением компания работает уже несколько лет. Согласно дорожной карте, предстоит преодолеть ещё множество промежуточных этапов, но, как заявила вице-президент Microsoft по квантовым разработкам Криста Своре (Krysta Svore), создание суперкомпьютера, способного выполнять миллион квантовых операций в секунду, займёт менее десяти лет.

Источник изображения: efes / pixabay.com

В прошлом году Microsoft объявила о крупном прорыве, когда её разработчики нашли способ создавать кубиты на основе фермионов Майораны — они чрезвычайно стабильны, но и получать их тоже чрезвычайно сложно. Корпорация делала ставку на это направление с самого начала, и спустя год после первого ощутимого успеха инженеры Microsoft опубликовали статью в рецензируемом журнале, в которой заявили, что преодолели первый этап на пути к созданию квантового суперкомпьютера. Исследователи привели намного больше данных, чем год назад, когда впервые рассказали о своей работе.

Сегодня в распоряжении Microsoft есть квантовые машины среднего масштаба — они пока недостаточно надёжны, чтобы сделать нечто практичное, поэтому на следующем этапе будет необходимо обеспечить точность вычислений. Исследователи планируют получить систему, способную выполнять миллион надёжных квантовых операций в секунду при одном отказе на триллион операций. Кубиты размером менее 10 мкм каждый получат аппаратную защиту. После этого будет проработан механизм их запутывания и управления.

В работе компании поможет её новая платформа Azure Quantum Elements, которая ускорит научную работу за счёт объединения высокопроизводительных традиционных вычислений, алгоритмов искусственного интеллекта и квантовых вычислений. Новым вспомогательным инструментом для учёных и студентов также станет ИИ-модель Copilot для Azure Quantum, предназначенная для квантовых расчётов и симуляций.

Если квантовые компьютеры пойдут по пути развития классических систем, то следующим шагом для них станет объединение в сети, включая глобальные. Необходимо будет передавать квантовые состояния, в частности — запутывать кубиты одного компьютера с кубитами другого. На небольших расстояниях это ещё можно сделать, но обеспечить такую передачу на десятки, сотни и тысячи километров — это задача, требующая особых ретрансляторов. Работу такого показали в Австрии.

Источник изображения: Harald Ritsch/University of Innsbruck

Проблема с ретрансляторами квантовых состояний в том, что любое измерение квантовых характеристик объекта ведёт к коллапсу всех остальных состояний. Такая физика сильно затрудняет квантовое распределение ключей и квантовую криптографию на этой основе. Дополнительно проблему усугубляет тот факт, что передачу квантовых состояний необходимо втиснуть в существующую кабельно-волоконную инфраструктуру — обеспечить работу как на пассивном, так и на активном оборудовании. Если проще — переносящий квантовое состояние фотон требуется сначала перевести в фотон со стандартной для современной телекоммуникации частотой для его передачи по оптике, где свои требования к длинам волн, а затем сделать обратное преобразование.

Осуществить подобный трюк удалось учёным из австрийского Университета Инсбрука. Исследователи собрали ретранслятор запутанности фотонов и показали её «телепортацию» на 50 км. Уточним, речь идёт не о передаче информации, которую можно расшифровать тем или иным способом, а о передаче квантового состояния (обычно речь идёт об измерении спина — ориентации магнитного вектора элементарной частицы). Один из фотонов мог быть 0, 1 или бесконечным множеством промежуточных значений, но при измерении характеристик одного из них, второй мгновенно показывал противоположное значение по измеряемому параметру.

На самом деле, учёные не выносили оптоволокно из лаборатории и использовали бобины с двумя отдельными 25-км отрезками оптического кабеля. Ретранслятор с квантовой памятью соединял эти отрезки посредине. Квантовая память в виде ионов кальция в оптической ловушке (в оптическом резонаторе) играла роль запоминающего устройства на случай потери фотонов в процессе передачи, но главное — она была ключевым элементом в обмене запутанными состояниями между фотонами в одном и другом отрезке оптоволокна.

Каждый из ионов кальция испускал по фотону. Эти фотоны разлетались по своим кабелям (сегментам сети) и при этом оставались спутанными каждый со своим ионом. Перед отправкой фотона в другой конец оптоволокна его преобразовывали в фотон с длиной волны 1550 нм, чтобы он соответствовал действующему стандарту в телекоммуникации. Затем ионы кальция запутывали между собой. Эксперимент показал, что запутывание ионов в ретрансляторе вело к синхронному запутыванию фотонов или, проще говоря, к мгновенной передачи запутанности по оптическому кабелю длиной 50 км.

Согласно проделанным экспериментам, учёные сделали вывод о необходимости ретрансляции квантовых состояний каждые 25 км. Это будет наилучшим образом соответствовать требованиям для сохранения высокой пропускной способности и наименьшей вероятности появления ошибок.

Intel объявила о выпуске 12-кубитного кремниевого чипа Tunnel Falls и его доступности для квантовых исследователей. Используя Tunnel Falls, учёные могут сразу же приступить к экспериментам и расчётам, вместо того чтобы пытаться изготовить свои собственные устройства. В результате становится возможным более широкий спектр исследований, включая изучение основ кубитов и квантовых точек и разработка новых методов работы с устройствами с несколькими кубитами.

Источник изображений: Intel

«Tunnel Falls — это самый совершенный на сегодняшний день чип Intel с кремниевыми спиновыми кубитами, созданный на основе многолетнего опыта компании в разработке и производстве транзисторов. Это следующий шаг в долгосрочной стратегии Intel по созданию полнофункциональной коммерческой системы квантовых вычислений. Несмотря на то, что на пути к устойчивому к ошибками квантовому компьютеру необходимо решить фундаментальные вопросы и задачи, академическое сообщество теперь может изучить эту технологию и ускорить развитие исследований», – сообщил Джим Кларк (Jim Clarke), директор Quantum Hardware, Intel.

Tunnel Falls производится на 300-мм пластинах на фабрике Intel D1. 12-кубитное устройство использует самые передовые возможности промышленного производства транзисторов Intel, такие как литография в экстремальном ультрафиолете (EUV). В кремниевых спиновых кубитах каждый бит информации (0/1) закодирован спином (направлением вращения) одного электрона. Каждое кубитное устройство, по сути, представляет собой электронный транзистор, что позволяет изготавливать его по технологии, аналогичной стандартной линии на основе комплементарных оксидов металлов и полупроводников (CMOS).

Благодаря использованию этой отработанной технологии, производство Tunnel Falls обеспечивает выход годных чипов на уровне 95 % по всей пластине, позволяя получать с каждой пластины более 24 000 рабочих квантовых чипов. Эти чипы могут образовывать конфигурации от 4 до 12 кубитов, которые можно изолировать или использовать в операциях одновременно, в зависимости от потребностей исследователей.

Intel считает, что кремниевые спиновые кубиты превосходят другие технологии кубитов из-за их синергии с передовыми транзисторами. Будучи размером с транзистор (≈ 50 × 50 нм), они в миллион раз меньше, чем другие типы кубитов, что, согласно Nature Electronics, «может быть платформой с наибольшим потенциалом для масштабирования квантовых вычислений».

Следует отметить усилия Intel, направленные на дальнейшие исследования аппаратного обеспечения — похоже, что компания не готова остановиться на одном решении. Ведь, как и большинство кубитов, спиновые кубиты на основе полупроводников могут быть реализованы разными способами. Базовая технология позволяет обнаруживать отдельные электроны в изолированных ямах и управлять их спинами, чтобы кодировать информацию в квантовом состоянии.

Существует три подхода к созданию кремниевых спиновых кубитов, включая конфигурацию Loss-DiVencenzo, конфигурацию Single-Triplet (S-T0) и Exchange-Only. «У каждого решения есть свои сильные и слабые стороны с точки зрения изготовления, с точки зрения физики и с точки зрения масштабируемости», — пояснил Кларк. По его словам, Intel изучает множество параметров, таких как разные размеры квантовых точек, разная геометрия, разная длина кубитов. Intel также встраивает в свой чип средства тестирования для определения производительности.

Intel объявила о сотрудничестве с лабораторией физических наук (LPS) университета Мэриленда, Qubit Collaboratory (LQC) в Колледж-Парке, национальным исследовательским центром квантовых информационных наук (QIS), Sandia National Laboratories, университетом Рочестера и университетом Висконсин-Мэдисон для продвижения исследований в области квантовых вычислений. Компания планирует предоставить доступ для разработчиков и исследователей к своему набору инструментов Intel Quantum Software Development Kit (SDK) версии 1.0 в этом году через Intel Developer Cloud.

«Наша цель — подключить Quantum SDK к реальному оборудованию. Это своего рода дезагрегированный подход. На данный момент мы сосредоточены как на программном, так и на аппаратном обеспечении, и в дальнейшем мы объединим их. Предстоит проделать огромный объем работы, чтобы охарактеризовать эти устройства, а затем написать много научных работ», — добавил Кларк.

LPS Qubit Collaboratory (LQC) является одним из исследовательских центров министерства обороны в области квантовых информационных наук (QIS), учреждённых в рамках Закона о национальной квантовой инициативе 2018 г. Intel сотрудничает с LQC в рамках программы Qubits for Computing Foundry (QCF) через Исследовательское управление армии США.

Intel заявляет, что сотрудничество с LQC поможет демократизировать кремниевые спиновые кубиты, позволив исследователям получить практический опыт работы с их масштабируемыми массивами. По словам Кларка, Intel предоставит квантовые устройства, в то время как исследовательские организации будут нести ответственность за приобретение и настройку необходимой инфраструктуры, такой как системы криоконтроля. Пока Intel не предоставляет чипы Horse Ridge II для криоконтроля, но может сделать это в будущем.

Представители научных учреждений, участвующие в программе, единодушны в том, что участие Intel является важной вехой в демократизации исследования спиновых кубитов и их перспектив для квантовой обработки информации и ведёт к объединению промышленности, научных кругов, национальных лабораторий и правительства.

По мнению учёных, устройство представляет собой гибкую платформу, позволяющую напрямую сравнивать различные кодировки кубитов и разрабатывать новые режимы работы, что позволяет внедрять новые квантовые операции и алгоритмы в многокубитном режиме и ускорять скорость обучения в квантовых системах на основе кремния.

Исследователи также высоко оценивают надёжность Tunnel Falls, а возможность работать с промышленными устройствами Intel открывает, по их мнению, перспективы для технического прогресса и обучения.

Intel планомерно работает над повышением производительности Tunnel Falls и интеграции его в свой полный квантовый стек с помощью комплекта Intel Quantum SDK. Кроме того, Intel уже разрабатывает свой квантовый чип следующего поколения на базе Tunnel Falls, ожидается, что он будет выпущен в 2024 году. В будущем Intel планирует сотрудничать с дополнительными исследовательскими институтами по всему миру для создания квантовой экосистемы.

Совместная работа инженеров IBM и учёных из Беркли доказала возможность более быстрого достижения практической ценности квантовыми компьютерами, чем это считалось ранее. Не зря волнуются банкиры, не зря. Разработка новых квантовых алгоритмов и оптимизация существующих может как снег свалиться на голову тем, кто не верит в скорое появление нечувствительных к ошибкам квантовых платформ.

127-кубитовый процессор Eagle. Источник изображений: IBM

Доклад о прогрессе квантовых вычислений вышел в журнале Nature в виде научной статьи и даже попал на обложку номера. Если говорить коротко, IBM впервые продемонстрировала, что квантовые системы могут давать точные результаты в масштабе 100+ кубитов, что «превосходит ведущие классические подходы». Это означает, что современные так называемые шумные квантовые компьютеры могут вести расчёты с «классической» точностью без чрезмерных усилий по смягчению ошибок.

Что такое чрезмерные усилия по смягчению ошибок во время квантовых расчётов в серии работ показала компания Google. Согласно исследованию компании, для создания полностью безошибочного квантового компьютера необходимо каждый логический кубит поддерживать массивом из 1000 физических кубитов, которые будут устранять ошибки в одном единственном кубите (регистре) и, фактически, не будут принимать участие в расчётах. Тем самым для практически значимого квантового компьютера из 1000 логических кубитов нужна платформа из миллиона физических кубитов. Сегодня это примерно стадион криогенного оборудования и атомная электростанция в придачу.

Новая работа IBM показала, что даже современный квантовый компьютер можно научить исправлять ошибки алгоритмически без привлечения к этому значительного числа физических кубитов. В качестве испытательной платформы IBM использовала условно новый 127-кубитовый процессор Eagle (в прошлом году компания представила 433-кубитовый Osprey). Оба процессора используют сверхпроводящие кубиты. На системе Eagle была промоделирована динамика спинов в модели материала с магнитными свойствами. Модель демонстрировала намагниченность материала.

Для проверки точности работы квантовой системы одновременно с ней было запущено моделирование на классических суперкомпьютерах в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Lab's National Energy Research Scientific Computing Center, NERSC) и в Университете Пердью. По мере увеличения масштаба модели квантовый компьютер продолжал выдавать точные результаты даже тогда, когда классические методы вычислений перестали справляться с задачей. Добиться такого поразительного результата всего на 100+ кубитах компания IBM смогла благодаря «передовым методам устранения ошибок».

«Мы впервые наблюдаем, как квантовые компьютеры точно моделируют физическую систему в природе, превосходя ведущие классические подходы, — сказал Дарио Гил (Darío Gil), старший вице-президент и директор IBM Research. — Для нас эта веха является значительным шагом в доказательстве того, что современные квантовые компьютеры являются рабочими научными инструментами, которые могут быть использованы для моделирования проблем, чрезвычайно сложных и, возможно, невозможных для классических систем, сигнализируя о том, что мы вступаем в новую эру практической ценности квантовых вычислений».

Подробнее о работе можно узнать в блоге компании IBM. Статья в Nature также свободно доступна по этой ссылке. В компании отдают отчёт в том, что поиск «правильных» алгоритмов — это нетривиальная задача, но она может быстро приблизить появление «утилитарных» квантовых компьютеров, что подтверждает данное исследование.

В IBM стремятся привлечь к разработке алгоритмов как можно больше специалистов из любых сфер деятельности. В следующем году компания обещает завершить развёртывание квантовых компьютеров второго поколения на 433-кубитовых процессорах. Но без алгоритмов — это всё никому не нужное дорогое «железо».

Моделирование «настоящей» физики на 100+ кубитовых платформах уже сегодня востребовано в материаловедении, фармацевтике, логистике и много где ещё. Оно способно привести к скачку в науке и технике. IBM на практике доказала, что такое возможно.

На прошлой неделе контр-адмирал Хабиболла Сайяри (Habibollah Sayyari), заместитель координатора вооружённых сил Ирана и бывший командующий ВМС, заявил, что страна добилась значительных успехов в современных технологиях. Было отмечено, что основу оружия нового поколения составят квантовые вычисления, которые помогут противостоять угрозам завтрашнего дня. И показал некую плату. Выяснилось, что это Arm-плата для разработчиков, которая продаётся на Amazon за €700.

Источник изображения: iranintl.com

В речи, которую он произнёс в Мореходном университете ВМФ в Ноушехре, он рассказал не только о том, что стране предстоит сделать, но и о достижениях. Одним из новых продуктов оказалась система, способная «применять квантовые алгоритмы для противодействия навигационным помехам при обнаружении надводных судов».

Источник изображения: iranintl.com

Продемонстрированное при этом устройство даже близко не напоминало квантовый процессор. Невооружённым глазом видно, что им оказалась некая плата с маркировкой ZedBoard. Как оказалось, её разработала и произвела американская компания Diligent — плата продаётся на Amazon за €700. На плате для разработчиков от Diligent установлен не квантовый, а обычный FPGA семейства Xilinx Zynq-7000, у которого помимо программируемой матрицы имеется процессорная часть с двумя ядрами Arm Cortex-A9. На борту имеются встроенный накопитель на 256 Мбайт и 512 Мбайт оперативной памяти DDR3.

Источник изображения: amazon.com

Инцидент породил множество насмешек в соцсетях, передаёт иранское новостное агентство Iran International. К сожалению, это не первое подобное происшествие в стране — в прошлом году один из иранских университетских профессоров рассказал, что написанная на Python программа может предсказывать будущее.

Китай значительно продвинулся в разработке, патентовании и реализации квантовой связи и на академических направлениях, но по практической реализации квантовых компьютеров он плетётся в хвосте у США. Новейшая китайская квантовая платформа Wukong будет в шесть раз слабее системы IBM Quantum System Two, и ликвидировать это отставание придётся годами.

24-кубитовая система Wuyuan. Источник изображений: Origin Quantum

Как сообщило руководство китайской компании Origin Quantum Computing Technology, 72-кубитовая система Wukong — на сегодня самая мощная в Китае — проходит финальное тестирование и в июле поедет к заказчику. В феврале этого года компания призналась, что свою первую «серийную» квантовую систему она поставила неназванному клиенту ещё в 2021 году. На Западе аналогом квантовых систем Origin Quantum Computing можно считать квантовые компьютеры компании IBM. В каждом случае это законченные платформы, готовые для эксплуатации клиентами, а не конструктор «сделай сам».

Поскольку в конце прошлого года компания IBM анонсировала 433-кубитовые сверхпроводящие процессоры и системы Quantum System Two на их основе, китайский серийный компьютер номинально будет в шесть раз слабее американского. Это чисто условное сравнение, но примерно даёт понять степень отставания китайских разработчиков от их американских коллег. По мнению руководства Origin Quantum Computing, они отстают от IBM и западных разработчиков квантовых вычислительных платформ на 3–4 года. На преодоление этого отставания понадобятся годы напряжённой работы, даже не считая «бонуса» в виде санкционного давления.

Санкции видятся руководству китайского разработчика серьёзной помехой. Квантовые чипы требуют современных литографических техпроцессов и редких материалов. В частности, компания Origin Quantum Computing видит проблему в прекращении поставок в Китай оборудования японского производства для электроннолучевой литографии. Компания ищет и находит пути для ухода из-под санкций, например, она начала совместные исследовательские проекты с тайваньской компанией Powerchip Semiconductor Manufacturing, у которой СП Nexchip с властями Хэфэя, где располагается главный офис Origin Quantum Computing.

Компания PSMC — это третий по величине тайваньский чипмейкер. Самые тонкие его техпроцессы — это 55-нм, которые не подпадают под санкции США. Производства Powerchip могут выпускать сотни тысяч процессоров Origin Quantum Computing и закроют потребность компании в чипах. Это не позволит догнать техпроцессы и квантовые чипы Intel, но обеспечит развитие квантовой отрасли в Китае.

Компания Origin Quantum Computing образована в 2017 году двумя китайскими учёными и аккумулировала все передовые академические знания в области квантовых вычислений в стране. Её специалисты разрабатывают целый спектр квантовых процессоров, от сверхпроводящих до спиновых. Из всего этого многообразия что-то да выйдет. Также компания может похвастаться единственными практическими квантовыми компьютерами в Китае, которые можно назвать серийными.

Китайский фотонный квантовый компьютер «Цзючжан» смог обработать ориентированные на задачи искусственного интеллекта алгоритмы в 180 млн раз быстрее самого мощного классического компьютера. Это ещё не тотальное преимущество квантовых технологий, но очевидное приближение к их внедрению.

Квантовая система «Цзючжан». Источник изображений: University of Science and Technology of China

В опубликованной в издании Physical Review Letters статье, сообщает газета South China Morning Post, китайские учёные сообщили об обработке компьютером «Цзючжан» 200 тыс. выборок с использованием моделирования случайного поиска и отжига (поиск минимумов) менее чем за одну секунду. Классический суперкомпьютер только на каждую выборку потратил бы 700 секунд, что в сумме составило бы пять лет непрерывных расчётов. По словам исследователей, проблемы, решаемые их квантовым компьютером, могут быть применены к интеллектуальному анализу данных, обработке биологической информации, сетевому анализу и исследованиям в области химического моделирования.

Фактически Китай намекнул на достижение квантового превосходства в одной из областей искусственного интеллекта, и это не первый случай достижений учёных Поднебесной в сфере квантовых технологий. Так, квантовый компьютер «Дзучунжи» (Zuchongzhi ) на сверхпроводящих кубитах уже доказал квантовое превосходство на задачах генерации случайной строки с последующим сравнением с теоретическими данными. Он даже оказался на несколько порядков быстрее квантового компьютера Google Sycamore, который Google назвала первым в мире «превосходным» квантовым компьютером. Позже исследователи оптимизировали классический алгоритм и сильно приземлили квантовое преимущество этих систем в работе над этой узкоспециализированной задачей, но теперь прорвало в новом месте — в сфере алгоритмов ИИ.

Ранее фотонная система «Цзючжан» (Jiuzhang) показала преимущество на задачах с Гауссовой бозонной выборкой, которую она решала в трлн раз быстрее классических систем.

Комментируя статью китайской команды, рецензент написал в журнале American Physical Societ: «Результат расширяет список задач, в решении которых современные шумные квантовые компьютеры имеют преимущество перед классическими компьютерами». В то же время остаётся множество задач, при решении которых квантовые компьютеры не имеют такого преимущества перед классическими, особенно, если начать оптимизировать классические алгоритмы. Квантовым системам придётся доказывать своё превосходство шаг за шагом и, прежде всего, по той причине, что сегодня мало кто понимает, как и для каких целей это делать.

Швейцарские физики поставили эксперимент, который может служить почти абсолютным доказательством существования эффекта квантовой запутанности. Этот вопрос крайне смущал многих физиков прошлого века, включая Альберта Эйнштейна, и был предметом постоянных споров. Для нового эксперимента построили 30 метров вакуумной трубы с криогенным охлаждением, чтобы фотон как можно дольше летел от одной запутанной частицы к другой и не успел вмешаться в измерения.

Устройство 30-м трубы из эксперимента с волноводом посередине. Источник изображения: ETH Zurich/Daniel Winkler

Эйнштейн не мог смириться с мыслью, что квантово запутанные частицы мгновенно влияют друг на друга на условно бесконечных расстояниях. В таком случае они должны «передавать информацию» быстрее скорости света. По его мнению, мы просто не всё знаем о квантовой физике, и могут быть какие-то скрытые параметры, которые уже содержатся в характеристиках частицы и выдаются в ответ на измерение свойств одной из запутанных частиц.

Например, если мы измерили направление спина одного из пары запутанных фотонов, то информация о спине второго (оно будет противоположным по направлению) становится известна мгновенно, где бы этот второй фотон из пары не находился. Это также называют эффектом квантовой телепортации.

Для определения системы на наличие скрытых параметров в 60-х годах прошлого века физик Джон Белл предложил мысленный эксперимент, который уже в семидесятые годы поставил Джон Клаузер (за что ему, в частности, была присуждена Нобелевская премия по физике за 2022 год). В классической системе (нашем с вами мире) неравенства Белла соблюдаются всегда, тогда как в квантовом мире они нарушаются.

Если применить неравенства Белла к запутанным частицам, то случайное измерение двух запутанных частиц одновременно должно либо удовлетворять неравенствам, либо нарушать их. В последнем случае это будет доказательством, что никаких скрытых параметров нет и частицы «передают информацию» по законам квантовой физики — быстрее скорости света.

Учёные из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) создали криогенную установку, в которой фотон путешествует дольше, чем ведутся локальные измерения связанных частиц. По 30-м трубе в вакууме с охлаждением до -273°C микроволновый фотон пролетает с одного конца в другой за 110 нс. Измерения длились на несколько наносекунд быстрее. Никакая информация по классическим законам не могла передаться за это время, тогда как эффект квантовой запутанности частиц себя полностью проявил.

До этого применение неравенств Белла предполагало лазейки в постановке экспериментов. Устранить все спорные места мог только эксперимент, в ходе которого измерения должны проводиться за меньшее время, чем требуется свету, чтобы пройти от одного конца к другому — это доказывает, что между ними не было обмена информацией.

«В нашей машине 1,3 [тонны] меди и 14 000 винтов, а также огромное количество знаний по физике и инженерных ноу-хау», — сказал квантовый физик из ETH Zurich Андреас Валлрафф (Andreas Wallraff).

У поставленного эксперимента была и другая цель — убедиться, что сравнительно большие сверхпроводящие системы могут обладать квантовыми свойствами. В опыте участвовали две сверхпроводящие схемы, которые играли роль связанных частиц, тогда как обычно речь идёт о запутывании элементарных частиц типа электронов, фотонов или атомов. В эксперименте использовались объекты нашего большого мира, и они отыграли по законам квантовой физики.

Это означает, что на основе сверхпроводящих макросистем можно строить квантовые компьютеры, осуществлять квантовую связь и делать много другого интересного не углубляясь до таких тонких и пугливых (сверхчувствительных) материй, как элементарные частицы. В этом скрыт небывалый потенциал, который учёные намерены разрабатывать дальше.

Компании SkyWater и PsiQuantum сообщили, что расширили сотрудничество в области разработки и производства отказоустойчивого квантового компьютера. После завершения этапа проектирования производством квантовых процессоров займётся завод SkyWater в Блумингтоне, штат Миннесота, США. Это бывшее производство компании Cypress Semiconductor на 200-мм, начавшее выпуск продукции в 1991 году. Как видим, для прорыва не нужно ничего необычного.

Источник изображений: PsiQuantum

Компания SkyWater выделена из Cypress Semiconductor. Завод был передан в качестве наследства. Это предприятие десятилетиями обслуживало военные и государственные заказы властей США и соответствует всем требованиям защиты от утечек. Работа с военными также перешла в область деятельности SkyWater. Она сотрудничает с ними по ряду перспективных полупроводниковых проектов, включая разработку процессоров на углеродных нанотрубках. Квантовые компьютеры также входят в сферу интересов национальной безопасности США и переадресация проекта в руки SkyWater — это в целом закономерное решение.

Интересно отметить, что первоначально производить компоненты для квантового компьютера PsiQuantum планировали на мощностях компании GlobalFoundries. Точнее — на бывших заводах компании IBM, которые она продала GlobalFoundries. Эти заводы — особенно тот, который обрабатывал 200-мм пластины, работали по военным контрактам и выпускали радиочастотные и фотонные чипы. Решение PsiQuantum как раз использует в качестве кубитов фотоны в квантовых процессорах и кремниевая фотоника хорошо ложится на её разработки. Почему сотрудничество с GlobalFoundries прервалось или видоизменилось, не сообщается.

Что касается компании PsiQuantum, то в союзе с SkyWater она найдёт не только будущего производителя квантовых процессоров, но также партнёра по разработке таковых. Для этого, в частности, будет использоваться фирменная платформа SkyWater TaaS (технология как услуга), которая «позволяет эффективно разрабатывать и производить передовые технологии на промышленных предприятиях и активно поддерживает инициативы в области квантовых вычислений».

Компания PsiQuantum поддерживается влиятельными инвесторами, в число которых входят Microsoft (фонд M12), Baillie Gifford (один из первых инвесторов Tesla), Blackbird Ventures и Temasek. Компания собрала более полумиллиарда долларов США инвестиций и намерена создать первый в мире отказоустойчивый квантовый компьютер.

Квантовые компьютеры обещают колоссальную производительность по сравнению с классическими компьютерами, однако практической пользы от них пока не видно. Приблизить этот момент можно даже сейчас, пока в системе мало кубитов. Необходимо искать точки приложения и разрабатывать алгоритмы, для чего нужны академические знания. Такие специалисты есть в Японии, и компания IBM передаёт им второй квантовый компьютер, надеясь получить взамен что-то полезное.

Источник изображения: IBM

Первый квантовый компьютер компания IBM запустила в Японии в 2021 году на площадке Kawasaki Токийского университета. Это была 27-кубитовая система IBM Q System One. Новая машина будет вооружена 127 кубитами, она станет первой мощнейшей зарубежной квантовой платформой IBM. Сами японцы несколько отстают в создании отечественных квантовых систем, хотя всеми силами навёрстывают упущенное. Так, в марте компания Fujitsu и НИИ RIKEN запустили 64-кубитовый компьютер собственной разработки и предоставили к нему облачный доступ.

«Наша цель — продвигать исследования и внедрять квантовые инновации в приоритетных областях, таких как космос, разработка лекарств, искусственный интеллект и финансы», — заявил исполнительный вице-президент Токийского университета Хироаки Айхара (Hiroaki Aihara) на пресс-конференции в пятницу.

Токийский университет будет обладать эксклюзивными правами на использование компьютера и предоставит доступ совету из 12 японских компаний, в который также входят Mitsubishi Chemical Group, Toyota Motor и Sony Group.

Компания Mitsubishi Chemical Group, например, планирует использовать квантовые вычисления для разработки литий-воздушных аккумуляторов, которые обещают стать более производительной альтернативой литий-ионным батареям, а корпорация JSR планирует использовать технологию для разработки полупроводниковых материалов.

При всём этом следует понимать, что универсальный квантовый вычислитель может появиться только при достижении умопомрачительного по сегодняшним меркам числа кубитов — от миллиона и больше. Согласно расчётам, примерно столько кубитов обеспечат безошибочную работу всего 1000 кубитов (всё, что сверху, необходимо для коррекции ошибок). Квантовый компьютер «на миллион» — это что-то за пределами сегодняшних мечтаний, такая система будет опираться явно не какие-то иные квантовые платформы. Не исключено, что ответ знают в России — это переход на многоуровневые кубиты или кудиты, но это уже другая история.

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

Источник изображений: D-Wave

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

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

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

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

D-Wave Advantage на 5000 кубитов

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

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

Популярные среди разработчиков квантовых компьютеров сверхпроводящие кубиты имеют один отчётливый недостаток — криогенные системы плохо масштабируются. Управляющая кубитами электроника в виде обычных цифровых контроллеров не может работать при сильном охлаждении и её надо держать отдельно от кубитов, что делает решение крайне сложным и громоздким. Компания из США смогла создать низкотемпературные контроллеры и это может иметь последствия.

Источник изображения: SEEQC

О разработке сообщил стартап SEEQC (Superconducting Energy Efficient Quantum Computing). Но не стоит удивляться. Хотя компания SEEQC образована в 2017 году, её корни лежат в корпорации HYPRES, созданной в далёком 1983 году для решения задач в области сверхпроводимости по заказам правительства США. На основе интеллектуального багажа предшественников специалисты SEEQC начали развивать направление квантовых компьютеров, и определённые успехи на этом пути уже достигнуты.

Компания SEEQC представила чипы Single Flux Quantum (SFQ). Утверждается, что SFQ способны выполнять все основные функции контроллера кубитов квантового компьютера при той же криогенной температуре, что и сами кубиты, а это порядка 20 мК. Это означает, что контроллер может работать рядом с кубитами в той же криогенной камере. Это многократно упрощает архитектуру квантовых систем, которые сегодня выглядят как огромные шкафы выше человеческого роста.

Разработчики SEEQC намерены продвигать гибридные компьютеры — сочетание квантовых и классических платформ, что требует создание электроники, выдерживающей сверхнизкие температуры. Это также означает, что одними контроллерами дело не обойдётся. Необходимы криогенные схемы, оцифровывающие обычно волновые данные, считанные с кубитов. И SEEQC разрабатывает такую логику, хотя говорит, что она не опирается на транзисторы.

Подробностей на этот счёт нет, но можно предположить, что в роли «криогенного транзистора» компания использует переход на эффекте Джозефсона. Суть эффекта в том, что в определённых условиях диэлектрик между двумя сверхпроводниками может начать пропускать ток. Ранее SEEQC была замечена в экспериментах с такими элементами. В частности, разрабатывала криогенную память на джозефсоновских переходах для квантовых и обычных компьютеров.

Если верить компании, чипы SFQ обмениваются данными по беспроводной связи и совместимы со всеми типами сверхпроводящих кубитов и даже со спиновыми кубитами. Для упрощения архитектуры решение использует мультиплексирование. Так, испытано решение для управления 8 кубитами с помощью 2 проводов. Версия для управления 64 кубитами отправлена в производство и вскоре будет доступна для всестороннего тестирования.

Добавим, по такому же пути идёт компания Intel. Она разрабатывает семейство криогенных контроллеров Horse Ridge для управления сверхпроводящими и спиновыми кубитами. Пока Intel не может похвастаться работой контроллеров при температуре, близкой к абсолютному нулю. Контроллеры Intel работают при температуре 4K и не могут располагаться рядом с кубитами. Но у этой технологии есть другой несомненный плюс — контролеры Horse Ridge выпускаются на обычных кремниевых транзисторах и с ними намного привычнее и проще работать.

Впрочем, курс тот же — создать электронную обвязку для кубитов, которая располагалась бы в той же криогенной среде, что и носители квантовой информации. Это существенно сократит время до появления достаточно мощного квантового компьютера, который будет иметь практический успех.