Microsoft хочет защитить Windows 11 от перспективной угрозы кибербезопасности — от квантовых компьютеров. Предварительная версия Windows 11 Canary сборки 27852 получила поддержку алгоритмов постквантового шифрования (Post-Quantum Cryptography — PQC), которые, как предполагается способны выстоять против средств взлома, которые возникнут с распространением квантовых компьютеров.

Источник изображений: Philip Oroni / unsplash.com

Обновлённая версия криптографической библиотеки Microsoft SymCrypt получила поддержку комплексных решений ML-KEM и ML-DSA, обращаться к которым можно через средства Cryptography API: Next Generation. ML-KEM обеспечивает защиту от угрозы класса «собрать сейчас, расшифровать позже», предполагающей, что злоумышленники собирают целевые данные уже сегодня, сохраняют их и ждут, пока квантовые компьютеры станут достаточно быстрыми, чтобы расшифровать похищенную информацию. ML-DSA предназначается для сценариев, связанных с проверкой личности, и для сохранения целостности цифровых подписей.

Алгоритмы PQC разрабатываются для противодействия атакам со стороны перспективных, то есть ещё не существующих квантовых компьютеров. При этом используются математические уравнения, которые, как считается, трудно решить как традиционным, так и квантовым вычислительным системам. Но эти алгоритмы более требовательны к оборудованию: необходимы большие размеры ключей, на вычисления уходит больше времени, активнее используются ресурсы пропускной способности по сравнению с классическими алгоритмами криптографии.

Алгоритмы PQC тщательно подобрал Национальный институт стандартов и технологий (NIST) США с учётом таких критериев как безопасность, производительность и совместимость. Технологии PQC используются не только Microsoft, но и реализуются в рамках нескольких отраслевых стандартов, в том числе TLS, SSH и IPSec.

SymCrypt — основная криптографическая библиотека Microsoft, которая используется во множестве её служб и продуктов от Microsoft 365 и Azure до Windows 11 и Windows Server 2025. SymCrypt используется для обеспечения безопасности электронной почты, облачного хранилища, браузера и многого другого. Реализовав поддержку PQC в SymCrypt, Microsoft готовит всю экосистему платформ Windows и других продуктов к перспективным атакам с использованием квантовых компьютеров. Пока эта технология тестируется в Windows 11, но в ближайшем будущем PQC появится и в Linux. Появится ли PQC в BitLocker, и когда это может случиться, в Microsoft не уточнили, но с учётом сложности этой задачи и высоких требований к оборудованию, едва ли стоит ожидать такого нововведения в ближайшее время.

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.

Согласно новому исследованию Филипа Куриана (Philip Kurian), физика-теоретика и директора-основателя Лаборатории квантовой биологии (QBL) в Университете Говарда в Вашингтоне, округ Колумбия, опубликованному в научном журнале Science Advances, живые клетки могут обрабатывать информацию с помощью квантовых механизмов гораздо быстрее, чем классическая биохимическая сигнализация.

Источник изображения: The Quantum Insider

Как известно, квантовые вычислительные системы чувствительны к возмущениям и посторонним шумам, и чтобы их минимизировать, квантовые компьютеры должны функционировать при сверхнизких температурах. Принято считать, что только небольшие объекты, такие как атомы и другие частицы, обычно проявляют квантовые свойства. Биологические системы, наоборот, представляют собой враждебную среду для реализации квантовых вычислений: они имеют сравнительно высокую температуру и хаотичны. К тому же их основные компоненты, такие как клетки, являются громадными по сравнению с атомами.

Исследование Куриана ломает сложившиеся стереотипы. В прошлом году группа под руководством Куриана обнаружила «отчётливо квантовый эффект в белковых полимерах в водном растворе». Как отметил профессор Марко Петтини (Marco Pettini) из Университета Экс-Марсель и Центра теоретической физики CNRS (Франция), «экспериментальное подтверждение однофотонного сверхизлучения в повсеместной биологической архитектуре при тепловом равновесии открывает много новых направлений исследований в квантовой оптике, квантовой теории информации, физике конденсированных сред, космологии и биофизике».

Согласно исследованию, ключевой молекулой, обеспечивающей способность клетки к квантовой обработке информации, является триптофан. Это аминокислота, содержащаяся во многих белках, которая поглощает ультрафиолетовый свет и повторно излучает его на более длинной волне.

Крупные сети триптофана образуются в микротрубочках, амилоидных фибриллах, трансмембранных рецепторах, вирусных капсидах, ресничках, центриолях, нейронах и других клеточных комплексах. Подтверждение QBL квантового сверхизлучения в филаментах (внутриклеточное нитевидное образование) цитоскелета (клеточный каркас) имеет важное последствие: все эукариотические организмы (клетки которых содержат оформленное ядро) могут использовать эти квантовые сигналы для обработки информации.

Для расщепления пищи клетки, подвергающиеся аэробному дыханию, используют кислород и генерируют свободные радикалы, которые могут испускать разрушительные частицы ультрафиолетового излучения с высокой энергией. Триптофан может поглощать ультрафиолетовое излучение и повторно излучать его с меньшей энергией. И, как показало исследование QBL, очень крупные триптофановые сети делают этот процесс ещё более эффективным и надёжным благодаря мощным квантовым эффектам.

Сверхизлучение в филаментах цитоскелета происходит примерно за пикосекунду — миллиардную долю микросекунды. Эти триптофановые сети могут функционировать как квантовая волоконная оптика, которая позволяет эукариотическим клеткам обрабатывать информацию в миллиарды раз быстрее, чем при использовании только химических процессов.

Как отметили исследователи, аневральные организмы, включая бактерии, грибы и растения, которые составляют основную часть биомассы Земли, выполняют сложные вычисления. И поскольку они появились на планете гораздо раньше животных, именно они выполняют подавляющее большинство вычислений на основе углерода на Земле.

Работа Куриана привлекла внимание разработчиков квантовых вычислений, поскольку реализация квантовых эффектов в «шумной» среде позволяет сделать квантовую информационную технологию более устойчивой.

Также результаты исследования прокомментировал квантовый физик Сет Ллойд (Seth Lloyd), профессор машиностроения в Массачусетском технологическом институте. «Это служит напоминанием, что вычисления, выполняемые живыми системами, намного мощнее, чем вычисления, выполняемые искусственными», — отметил он.

Австралийский стартап Diraq опубликовал в журнале Nature Communications статью, в которой впервые обосновал возможность выпуска квантовых процессоров из кремния на основе электронных спиновых кубитов. Исследователи Diraq доказали соответствие созданных ими спиновых кубитов квантовой теории. Доказательство получено с помощью нарушения неравенства Белла, что подтверждает подлинную квантовую природу запутанной пары электронов — её нелокальность.

Источник изображения: ИИ-генерация Grok 3/3DNews

В статье Эйнштейна, Подольского и Розена 1935 года авторы сообщили об обнаружении «жуткого» состояния запутанности, которому не смогли дать объяснение. Они предположили, что созданная к тому времени квантовая теория может быть неполной, а частицы могут обладать скрытыми параметрами. Это и называется локальным реализмом. Между тем ЭПР-пары запутанных частиц демонстрировали ту самую «жуть», о которой говорил Эйнштейн: они мгновенно реагировали на измерения состояния одной из них, независимо от расстояния. Для создателя теории относительности с её постулатом о предельной скорости света такое казалось немыслимым.

В 1964 году физик Джон Белл разработал способ проверки ЭПР-пар на наличие скрытых параметров. Он предложил уравнения, при нарушении которых система демонстрировала квантовые свойства — описывалась волновой функцией и проявляла нелокальность. В противном случае система считалась классической и подчинялась законам обычной физики, включая общую теорию относительности. Поскольку вычисления и эксперименты в квантовой механике дают совпадение результатов с точностью до 12-го знака после запятой, квантовой математике принято доверять абсолютно. В квантовом мире поведение частиц соответствует проведённым расчётам.

Для пар фотонов, обладающих как спином, так и поляризацией (это также квантовые свойства), первые эксперименты по нарушению неравенства Белла были проведены в конце 70-х — начале 80-х годов XX века. Для электронов, согласно статье австралийцев, в предложенной конфигурации на кремнии подобные опыты ещё не проводились. Иначе говоря, квантовая природа кремниевых кубитов формально до сих пор не была доказана.

Следует отметить, что стартап Diraq, основанный в 2022 году, вырос из крепкой академической среды — Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее. Многие научные группы этого университета занимаются квантовыми платформами на основе спиновых кубитов. У Diraq за плечами значительный опыт, багаж знаний и портфель патентов.

Стартап развивает модифицированный кремниевый полевой транзистор, способный управлять одним-единственным электроном, точнее — его спином. Технологию производства таких транзисторов и процессоров назвали SiMOS (кремний–металл–оксид–полупроводник) по аналогии с КМОП. Техпроцесс SiMOS реализуем на том же промышленном оборудовании, которое используется для производства обычных транзисторов и процессоров. По замыслу разработчиков, каждый такой транзистор может быть кубитом. Очевидно, что подобная платформа идеально масштабируется до миллионов и миллионов кубитов.

В своей работе Diraq продемонстрировала нарушение неравенства Белла с результатом S = 2,731. Это значение превышает классический предел (S ≤ 2), что подтверждает наличие квантовой запутанности и нелокальных корреляций между кубитами. Также система показала точность состояния Белла (Bell state fidelity) выше 97 % без коррекции ошибок считывания. Это означает, что кубиты в запутанном состоянии сохраняют свою квантовую природу с очень высокой точностью, что критически важно для квантовых вычислений. При этом система функционировала при относительно высокой температуре — 1,1 К, что примерно в 20 раз выше, чем у обычных сверхпроводящих кубитов.

Эндрю Дзурак (Andrew Dzurak), генеральный директор Diraq, прокомментировал результаты исследования: «Запутанность, возможно, является самым глубоким свойством квантовой механики и фундаментальной основой для работы квантовых компьютеров и получения квантовых преимуществ. С помощью современных инструментов для манипулирования электронными спиновыми кубитами в квантовых точках SiMOS и повышения их производительности наша команда в Diraq нарушила неравенство Белла, продемонстрировав подлинную квантовую природу запутанных состояний. Мы считаем, что это — первое в мире создание электронных спиновых кубитов в квантовых точках, и этот успех демонстрирует зрелость квантовой обработки данных на основе спина в кремнии».

В журнале Nature вышла статья, в которой учёные из Университета Фудань сообщили о разработке самой быстрой в истории флеш-памяти. Прототип работает на скорости 400 пикосекунд как при записи, так и при чтении. Новая память получила поэтическое название «Рассвет» (Poxiao). Опытный экземпляр отличается скромной ёмкостью. Покорение объёмов начнётся на следующем этапе разработки.

Источник изображения: Nature

Разработкой нового типа памяти учёные из Китая занимаются с 2015 года. В 2021 году они предложили базовую теоретическую модель, а в 2024 году разработали сверхбыстрое устройство флеш-памяти с длиной канала 8 нм, что превысило физический предел размера флеш-памяти на основе кремния, составлявший около 15 нм. Но размеры — не главное. Главное — это невообразимая скорость работы новой энергонезависимой ячейки, которая оказалась в 100 000 раз выше скорости ячейки SRAM.

Учёные отметили, что классическая память на основе управления транзисторным каналом электромагнитным полем имеет фундаментальные ограничения для наращивания скорости записи и чтения. Электроны нужно «разогнать», чтобы заставить их перейти в ячейку памяти или покинуть её. Традиционные полупроводниковые материалы и воздействие на электроны полем делают всё это медленным по современным меркам. По большому счёту, мало что изменилось после изобретения полевого транзистора около 60 лет назад. Для ускорения буквально нужна другая физика.

Китайские учёные предложили использовать в качестве канала графен или условно двумерный полупроводник — диселенид вольфрама (WSe₂). Оба материала ведут себя схожим образом, хотя и имеют отличия. Распределение управляющего электромагнитного поля вдоль каналов таково, что электроны поступают в ячейку «сильно перегретыми» — с крайне высокой для них энергией.

В общем случае графен считается так называемым дираковским материалом, в котором электроны подчиняются квантовым уравнениям Дирака. Использование графена позволяет ускорить перемещение «горячих» электронов и дырок в ячейку памяти, минимизируя потери энергии. Фактически, в созданных условиях электрон как бы становится безмассовой частицей, что позволяет резко увеличить скорости записи и чтения. Работу о субнаносекундной флеш-памяти с 2D-улучшенной инжекцией горячих носителей (Subnanosecond flash memory enabled by 2D-enhanced hot-carrier injection) можно найти по этой ссылке. Она свободно доступна для прочтения.

В составе новой памяти тонкий 2D-канал оптимизирует распределение горизонтального электрического поля, повышая эффективность инжекции. Ток инжекции достигает 60,4 пА/мкм при напряжении 3,7 В. Новая память выдерживает более 5,5 млн циклов записи и стирания. Скорости записи и чтения одинаковы — по 0,4 нс для каждого режима. Объём прототипа составляет около 1 килобайта. В течение пяти лет команда обещает увеличить ёмкость до десятков мегабайт, получить лицензию и начать выпуск коммерческих экземпляров.

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.

Учёные NASA в журнале EPJ Quantum Technology опубликовали статью, в которой сообщили о разработке первого космического квантового датчика для измерения силы тяжести вблизи Земли. Новый прибор сможет с высочайшей точностью создавать гравитационную карту планеты. Это поможет в навигации, в космических программах, а также позволит дистанционно определять залежи полезных ископаемых, включая нефть и питьевую воду.

Пример гравитационной карты Земли (красным обозначены области повышенной гравитации, синим — пониженной). Источник изображения: NASA

Квантовые датчики гравитации используют тот же принцип измерения силы тяжести, что и обычные датчики, только они будут на порядок чувствительнее. Для этого в квантовых датчиках в качестве тестовых масс, по ускорению падения которых определяется сила тяжести в конкретной точке пространства, используются атомы. В остальном всё происходит похожим образом. В зависимости от силы тяжести в каждой конкретной точке пространства тестовая масса будет падать с большим или меньшим ускорением. Тем самым далеко внизу на Земле и под её поверхностью, над которой пролетает спутник с датчиком, будет сосредоточено либо больше массы, либо меньше.

В качестве тестовой массы квантовый датчик Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder (QGGPf) использует сверхохлаждённые атомы рубидия. Охлажденные до температуры, близкой к абсолютному нулю, частицы в облаках атомов будут вести себя как волны. Квантовый гравитационный градиентометр измерит разницу в ускорении между волнами этой материи, чтобы обнаружить гравитационные аномалии.

В процессе разработки датчика QGGPf и спутниковой системы для него NASA сотрудничает с рядом компаний и центров исследований. Так, технологию сенсорных головок команда JPL разрабатывает с компаниями AOSense и Infleqtion. Центр NASA им. Годдарда вместе с Vector Atomic трудится над усовершенствованием лазерной оптической системы.

Квантовый датчик обещает оказаться достаточно компактным для размещения на борту одного сравнительно небольшого корабля. Его объём будет на уровне 0,25 м³, а масса составит около 125 кг. Традиционные гравитационные приборы космического базирования заметно больше и тяжелее.

Первые полётные испытания элементов квантового гравитационного датчика запланированы на конец текущего десятилетия. Дата вывода в космос полноценного квантового научного прибора не установлена — ещё предстоит преодолеть достаточно много технических барьеров. Помимо составления гравитационной карты Земли квантовый датчик поможет изучать планеты Солнечной системы и внесёт свой вклад в фундаментальную физику. В своей области он станет самым совершенным и первым такого рода научным инструментом.

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.

Группа учёных Московского физико-технического института (МФТИ) разработала и изготовила оригинальную схему квантового процессора, состоящего из 40 сверхпроводниковых кубитов (квантовых битов). Учёные сообщили, что провели предварительное тестирование процессора, хотя полноценные испытания ещё впереди. Только после комплексной проверки устройства в составе криогенной платформы можно будет судить о достигнутом прогрессе.

Источник изображения: МФТИ

«Благодаря привлечению дополнительных частных инвестиций в МФТИ были созданы комфортные условия для работы, что позволило коллективу быстро и эффективно выполнить поставленные задачи. В дальнейшем мы планируем разрабатывать и тестировать альтернативные топологии процессоров, а также наращивать интеграцию. Для последующего увеличения числа кубитов в процессоре необходимо будет обновить и расширить имеющееся экспериментальное и технологическое оборудование», — рассказала ключевой разработчик проекта, старший научный сотрудник МФТИ к.ф.-м.н. Дарья Калачева.

Для дальнейшей демонстрации работы схемы испытания устройства продолжатся при криогенных температурах, что позволит определить ключевые параметры и время когерентности кубитов. Успешное изготовление оригинальной 40-кубитной схемы процессора — существенный шаг в развитии отечественных квантовых технологий, уверены разработчики. Согласно утверждённым планам правительства, в 2025 году в России ожидается создание 100-кубитного процессора и вычислительной системы на его основе.

В институте поясняют, что сегодня не существует единого метода изготовления квантовых процессоров. Технология их производства — это результат сложной и кропотливой исследовательской работы, включающей последовательность технологических процессов, требующих постоянной отладки и совершенствования. Кроме того, с увеличением числа кубитов возрастают сложность технологии и требования к качеству.

Созданная в МФТИ микросхема изготовлена на базе Центра коллективного пользования института по уникальной топологии, зарегистрированной в Роспатенте. Каких-либо подробностей о разработке на данный момент нет.

Учёные из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) создали прототип аналогового акустического квантового компьютера, который намерены развить до полноценного вычислителя на совершенно иных принципах работы. Кубиты в предложенной системе смогут буквально разговаривать друг с другом, находясь в стабильной акустической суперпозиции. В квантовом мире измерение разрушает такие состояния, но звуковые волны нечувствительны к такому воздействию.

Источник изображения: EPFL

В своей работе исследователи использовали тот факт, что чистых звуковых волн, как правило, не бывает. В акустическом сигнале почти всегда присутствуют гармоники. Это можно сравнить с состоянием суперпозиции в квантовом мире — множеством вероятностей в одном акустическом сигнале. Это свойство можно использовать для создания акустических кубитов и, соответственно, аналогового акустического квантового компьютера, что учёные с успехом реализовали.

«По сути, мы создали игровую площадку, вдохновлённую квантовой механикой, которую можно настраивать для изучения различных систем. Наш метаматериал состоит из легко настраиваемых активных элементов, что позволяет нам синтезировать явления, выходящие за рамки природы, — говорят исследователи. — Потенциальные области применения включают управление волнами и передачу энергии для телекоммуникаций, а однажды эта установка может помочь в извлечении энергии из волн».

Предложенная учёными установка состоит из атомов-«кубиков». Каждый «кубик» снабжён динамиком и микрофоном. Микрофоны измеряют силу (амплитуду) сигнала и его частоту. В некотором роде это похоже на соединение атомов в кристаллической решётке, где колебания передаются от одного атома к другому.

Прототип акустической квантовой системы далёк от настоящего квантового уровня. Акустические волны лишь приближённо имитируют квантовые явления, но эта имитация достаточно точна для экспериментов. В определённом смысле учёные воплотили в жизнь мысленный эксперимент Шрёдингера о живой и одновременно мёртвой кошке в закрытой коробке. Кошка тоже никак не отражала квантовый уровень, но давала представление об отсутствии привычной логики в применении к квантовым явлениям.

Помимо возможности воспроизвести квантовую систему в макромасштабе предложенная установка может помочь в решении чисто утилитарной задачи. Люди часто страдают от шума в ушах, и природа этого явления нередко остаётся неизвестной. Акустический квантовый компьютер может стать симулятором подобных процессов, что поможет множеству пациентов с таким расстройством.

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.

При изучении мироздания современная наука дошла до квантовой теории поля. Все известные учёным элементарные частицы — это проявления квантовых полей, присущих каждой из них. При этом между этими проявлениями в виде частиц и античастиц происходят взаимодействия посредством множества сил, которые также представляют собой поля (электромагнитные, ядерные, гравитационные и другие). Смоделировать всё это — почти неподъёмная задача. Но учёные поняли, как её решать.

Художественное представление «танца» элементарных частиц в двух измрениях. Источник изображения: Harald Ritsch

Двоичное представление данных, лежащее в основе алгоритмов классических и квантовых компьютеров, не позволяет создать модель Вселенной в полном объёме на её фундаментальном уровне. Слишком много факторов приходится учитывать, и вычисления быстро превышают любые аппаратные возможности. С квантовыми компьютерами задача может оказаться чуть проще, ведь они, по сути, симулируют квантовые явления и способны упростить моделирование квантовой теории поля по сравнению с классическими суперкомпьютерами. Однако даже им не хватает разрядности.

Решение заключается в том, что кубиты тоже могут быть многоуровневыми. Каждый кубит может быть представлен кутритом (в трёх состояниях), куквартом (в четырёх), куквинтом (в пяти) и так далее. В общем случае такие кубиты называются кудитами (qudit). В России, например, квантовые системы на кудитах разрабатываются почти с самого начала работы над квантовыми вычислительными платформами. Кудиты позволяют кодировать гораздо более сложное и многогранное поведение квантовых полей и их взаимодействий, чем обычные двоичные кубиты. Именно этим решили воспользоваться учёные из Австрии и Канады. В своей работе они использовали куквинты — кубиты с пятью отдельными состояниями.

Ещё в 2016 году в Университете Инсбрука было продемонстрировано моделирование пар частица-античастица. «В этой демонстрации мы упростили задачу, ограничив движение частиц одной прямой. Снятие этого ограничения — важный шаг на пути к использованию квантовых компьютеров для понимания фундаментальных взаимодействий частиц», — поясняют учёные. В новой работе была представлена первая квантовая симуляция в двух пространственных измерениях. Физически квантовая система для работы с кудитами была создана в Инсбруке, а алгоритм для моделирования разработали в Канаде.

«Помимо поведения частиц, теперь мы также видим магнитные поля между ними, которые могут существовать только в том случае, если частицы не ограничены в движении одной осью. Это приближает нас на важный шаг к изучению природы», — говорят исследователи. Однако это только первый шаг, ведь впереди — третье пространственное измерение и целый спектр других взаимодействий между частицами, помимо электромагнитного. Всё это также предстоит учесть в модели, чтобы точно воспроизвести нашу Вселенную на уровне квантовых полей.

Новая работа по квантовой электродинамике — это лишь начало. С добавлением всего нескольких дополнительных кубитов (кудитов) можно будет распространить текущие результаты не только на трёхмерные модели, но и на сильное ядерное взаимодействие, которое удерживает атомы вместе и содержит в себе многие из оставшихся загадок физики. «Мы воодушевлены потенциалом квантовых компьютеров в изучении этих увлекательных вопросов», — резюмируют учёные.

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.

Новая научная работа устанавливает самые строгие ограничения на квантовую гравитацию, которая считается ключом к созданию «теории всего» — универсальной модели мироздания, охватывающей как квантовую физику, так и классическую механику. Исследование основано на изучении свойств нейтрино с помощью подводного детектора KM3NeT в Средиземном море. Выводы, сделанные на основе показаний датчиков, указали на дальнейшие направления поиска.

Визуализация эксперимента. Источник изображения: KM3NeT

Нейтринный телескоп KM3NeT — это крупная подводная обсерватория, предназначенная для обнаружения нейтрино по их взаимодействию с водой. Она состоит из двух детекторов. В эксперименте по поиску признаков квантовой гравитации использовался детектор ORCA, расположенный на глубине около 2450 метров у берегов Тулона (Франция).

Квантовая гравитация — это недостающее звено между общей теорией относительности и квантовой механикой. Пока она остаётся лишь гипотезой, потенциальным ключом к единой теории, способной объяснить как бесконечно большое, так и бесконечно малое. Решение этой головоломки может скрываться в скромном нейтрино — элементарной частице, не имеющей электрического заряда и почти невидимой, поскольку она крайне редко взаимодействует с материей, беспрепятственно проходя сквозь всё на нашей планете.

Именно поэтому нейтрино так трудно обнаружить. Однако в редких случаях частица может взаимодействовать, например, с молекулами воды на дне моря. В таком случае возникает так называемое черенковское излучение — слабое свечение, которое можно зафиксировать фотодетекторами. Толща воды отсеивает большинство элементарных частиц земного и космического происхождения, тогда как нейтрино беспрепятственно проникают на глубину.

Известно, что в процессе путешествия нейтрино осциллируют — изменяют свою массу. Однако в сумме их масса остаётся неизменной, находясь в состоянии квантовой суперпозиции. Это фундаментальное свойство нейтрино, которое также можно описать понятием когерентности. Если квантовая гравитация существует (а её предсказывают некоторые модели), то в ряде случаев она может нарушать когерентность нейтрино. Именно этот эффект — декогерентность — пытались зафиксировать детекторы KM3NeT.

Однако исследование не выявило отклонений в осцилляциях нейтрино. Они вели себя так, словно квантовой гравитации не существует. Но даже этот результат имеет важное значение, поскольку он накладывает новые, самые строгие на сегодняшний день ограничения на модели квантовой гравитации.

«Это, — объясняют учёные, — означает, что если квантовая гравитация действительно влияет на осцилляции нейтрино, то интенсивность этого влияния ниже пределов текущей чувствительности». Исследование установило верхнюю границу силы этого эффекта, которая теперь является более жёсткой, чем та, что была определена предыдущими экспериментами с атмосферными нейтрино. Оно также указывает направления для будущих исследований.

«Обнаружение декогеренции нейтрино стало бы большим прорывом, — поясняют исследователи. — До сих пор не было найдено никаких прямых доказательств существования квантовой гравитации, поэтому эксперименты с нейтрино привлекают всё больше внимания. Интерес к этой теме растёт. Люди, изучающие квантовую гравитацию, крайне заинтересованы в этом, поскольку, вероятно, декогеренцию нельзя объяснить никакими другими факторами».