Согласно новым исследованиям, частицы из космоса и фоновая радиация оказывают намного более сильное влияние на квантовые вычисления, чем это считалось ранее. Дело может дойти до того, что квантовые системы начнут прятать в свинцовые саркофаги глубоко под землю.

Источник изображения: Chris Wilen / Physics World

Международная группа исследователей под руководством Роберта Макдермотта (Robert McDermott) из Висконсинского университета в Мадисоне провела серию экспериментов с двумя парами сверхпроводящих кубитов на кремниевой подложке. Одна пара кубитов была разнесена на 340 мкм, а вторая — на 640 мкм.

Эксперимент показал, что в процессе квантовых операций, когда проводились какие-то манипуляции с кубитами, на соседних парах регистрировались многочисленные одновременные скачки заряда. Моделирование процессов на компьютере с привлечением стандартного инструментария физики элементарных частиц подсказало, что скачки возникают в моменты взаимодействия кубитов (чипа) со смешанным фоновым и космическим излучением (с частицами этих излучений).

Экспериментальные и теоретические данные указывают на то, что в ходе квантовых операций под воздействием космических и фоновых частиц возникали так называемые коррелированные ошибки. Иначе говоря, ошибки в одной паре кубитов одновременно проявляли себя в соседней паре кубитов и это не просто плохо, а очень плохо.

Для коррекции ошибок в кантовых вычислениях используются два основных способа — простой, методом увеличения числа физических кубитов и более сложный — с помощью поверхностных кодов из связанных кубитов. В первом случае для полного сохранения значения логического кубита может потребоваться до 1000 физических кубитов на каждый логический кубит, а во втором случае строится двумерная матрица из физических и логических кубитов, что требует намного меньше ресурсов для исправления ошибок.

Одна из особенностей перспективного метода поверхностных кодов проявляется в том, что коррелированных ошибок в системе нет. Во всяком случае, так считалось до нового эксперимента. Физики из США показали, что это не так и частицы из космоса и фонового излучения способны одновременно влиять на состояния соседних кубитов, хотя чем дальше эти кубиты разнесены, тем меньше вероятность таких ошибок.

Одна из причин коррелированных ошибок кроется в том, что космические частицы при взаимодействии с кубитом выбивают фотоны, которые, в свою очередь, вызывают в материале квантового процессора появление квазичастиц. Эти квазичастицы распространяются в материале достаточно далеко, чтобы влиять на соседние кубиты. Как следствие, считают физики, конструкцию квантовых процессоров придётся серьёзно доработать, как и вводить свинцовое экранирование и, что самое надёжное, прятать квантовые системы глубоко под землю, как это делают при изучении нейтрино или при поиске тёмной материи.

В Японии торжественно введён в эксплуатацию второй за пределами США квантовый компьютер компании IBM — 27-кубитовая система Q System One. Первый компьютер Q System One развёрнут в самой IBM, а второй построен в Германии. Эти системы обеспечивают прямой доступ к квантовому вычислительному «железу», что в массе случаев лучше доступа через облака. С помощью установки IBM японцы надеются разработать квантовые алгоритмы для разного практического применения.

Источник изображения: IBM

Система IBM Q System One оперирует процессором Falcon с 27 кубитами в виде колец, охлаждённых до температуры вблизи абсолютного нуля — до -273,15 °C. Такая температура, которую обеспечивает встроенная в систему криогенная установка на смеси гелия-4 и гелия-3, помогает кубитам оставаться стабильными достаточное для проведения вычислений время. Для считывания состояний кубитов и для управления используются микроволновые излучатели, контроллер которых расположен на тыльной стороне установки.

Данная система относится к квантовым компьютерам без коррекции ошибок — NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum). Поэтому основной темой исследований будет поиск алгоритмов, которые могли бы обходить это ограничение.

Источник изображения: IBM

Система IBM Q System One построена по заказу и в сотрудничестве с Токийским университетом. Для доступа к квантовому компьютеру летом прошлого года создан консорциум Quantum Innovation Initiative Council (QII Council), в который вошли некоторые крупные японские компании и учебные заведения. Система, кстати, испытывается с начала июля и уже показала обнадёживающие результаты. Исследователи надеются, что практическая работа на установке многих коллективов поможет найти практическое применение таким установкам в течение пяти лет или около того.

Молодая компания PsiQuantum, работающая в сфере квантовых вычислений, сообщила о привлечении $450 млн в рамках сбора четвёртого раунда инвестиций. Инвесторами стартапа выступили Microsoft (фонд M12), Baillie Gifford (один из первых инвесторов Tesla), Blackbird Ventures и Temasek. За всё время PsiQuantum привлекла $665 млн, на которые обещает создать первый в мире программируемый квантовый компьютер на миллионе кубитов.

Источник изображения: PsiQuantum

Компания PsiQuantum была основана в 2016 году четырьмя британскими учёными-физиками, которые переехали в Калифорнию и смогли привлечь финансирование к своему проекту. Идея британских учёных заключается в том, что одного миллиона кубитов хватит как на исправление ошибок, так и на программируемые квантовые вычисления. Идея вполне здравая. Например, недавно учёные из Google теоретически и практически доказали, что экспоненциальное увеличение числа физических кубитов для коррекции ошибок может полностью устранить ошибки в квантовых расчётах.

Но главная особенность проекта PsiQuantum заключается в том, что они сделали ставку на современные полупроводниковые техпроцессы и даже не на самые новейшие. В качестве криогенных кубитов компания предложила использовать фотоны. Выпускать процессоры Q1 для гибридного фотонного квантового процессора будут бывшие заводы компании IBM, которые теперь находятся в собственности GlobalFoundries. Немецкие заводы GlobalFoundries будут производить полупроводниковый контроллер для управления массивом фотонного поля. Упаковывать всё в одну микросхему, возможно, также будут в GlobalFoundries. С учётом озвученных деталей, судя по всему, охлаждение чипа будет довольно сильным, но не таким глубоким, как в случае традиционных сверхпроводящих кубитов.

Источник изображения: PsiQuantum

В компании PsiQuantum инвесторов привлекает сравнительно простая реализуемость квантовой системы Q1. Другое дело, что это будет за система и насколько она будет квантовой. Намного большей проблемой остаётся то, что пока никто особенно не понимает, в чём практическая польза квантовых вычислителей или симуляторов, если говорить о настоящем времени и об обозримом будущем.

Физики Массачусетского технологического института (MIT) заметили признаки редкого типа сверхпроводимости в материале, который называется «повёрнутый под "магическим углом" трёхслойный графен». Материал сохранял сверхпроводимость в магнитном поле силой 10 Тесла, что невозможно для обычных сверхпроводников. Подобное свойство может помочь значительно улучшить разрешение сканеров МРТ и привести к появлению помехоустойчивых квантовых компьютеров.

Сверхпроводимость в графене в представлении художника. Источник изображения: MIT

Аппараты МРТ в настоящее время ограничены магнитными полями от 1 до 3 Тесла. Если бы они могли быть построены из сверхпроводников с более сильной устойчивостью к магнитным полям, то сканеры МРТ могли бы получать более чёткие и глубокие изображения человеческого тела. То же самое относится к квантовым компьютерам. Сильные магнитные поля разрушают квантовые состояния кубитов и делают невозможным значительное масштабирование систем. Поможет ли с этим новое открытие, пока неясно, но надежда на прорыв всегда остаётся.

В своём эксперименте учёные из МИТ и их коллеги из японского Национального института материаловедения, проверили воздействие магнитного поля на три уложенных друг на друга слоя графена. Средний слой графена физики повернули на угол 1,56 градуса по отношению к внешним слоям. Это так называемый «магический» угол, при котором графен приобретает новые свойства, например, становится сверхпроводником. Применив к этому бутерброду постоянный магнит, учёные обнаружили, что магнитное поле постепенно подавляет эффект сверхпроводимости, но позже она возвращается и не пропадает вплоть до напряжённости 10 Тесла (более сильного магнита в лаборатории не нашлось, так что это может быть не предел материала).

Физики считают, но пока не уверены в этом, что электроны в повёрнутом под «магическим углом» трехслойном графене приобретают спин-триплетный характер — они образуют куперовские пары с полным спином равным 1. В обычном сверхпроводнике электроны в куперовских парах отталкиваются (их полный спин равен 0) и плохо сопротивляются внешнему магнитному полю. В спин-триплетных сверхпроводниках — редчайшем типе сверхпроводников — куперовские пары за счёт более сильного сцепления электронов остаются устойчивы к внешним магнитным полям и не теряют сверхпроводимости до довольно сильных значений напряжённости.

Если физикам удастся доказать, что повёрнутый под «магическим углом» трехслойный графен — это спин-триплетный сверхпроводник, то это откроет путь к новым сверхпроводящим материалам, что расширит область применения этого эффекта.

Молодая американская компания Atom Computing сообщила о создании квантового компьютера с беспрецедентными характеристиками. Заявленное время когерентности кубитов в квантовой системе первого поколения на порядок больше, чем у существующих конкурирующих систем.

Источник изображения: Atom Computing

Компания не раскрывает точных данных о своём квантовом вычислителе. Неизвестно даже число кубитов в системе, о чём говорится намёками. В частности, система первого поколения Phoenix способна оперировать 100 атомами одного из «щелочноземельных металлов». Атомы устанавливаются в ловушки в вакуумной камере так называемым оптическим или лазерным пинцетом. Атомы в ловушках становятся кубитами, состояниями которых управляют с помощью лазера.

Судя по заявлениям Atom Computing, время когерентности — длительность нахождения атомов в состоянии суперпозиции, при котором пресловутый кот Шрёдингера и жив, и мёртв одновременно — значительно превышает 100 мкс. Это вселяет в руководство молодой компании уверенность, что мифическое квантовое превосходство будет впервые достигнуто на их системе. «Масштабируемость и стабильность наших систем вселяют в нас уверенность в том, что мы сможем привести отрасль к истинному квантовому превосходству», — сказал Роб Хейс (Rob Hays), генеральный директор и президент Atom Computing.

Роб Хейс, назначенный генеральным директором Atom Computing, является ветераном отрасли и, например, свыше 20 лет проработал в компании Intel, где разрабатывал стратегию применения процессоров Xeon. Также Хейс работал в Lenovo, занимаясь продвижением серверных платформ. Кроме того, компания Atom Computing сообщила о получении $15 млн в первом раунде сбора инвестиций, которые пойдут на совершенствование квантовых вычислителей.

До появления более подробной информации о квантовой системе Atom Computing обсуждать её перспективы рано. Подобные системы успешно создают в Гарварде и даже обещают в скором времени побить мировой рекорд и представить программируемый 256-кубитовый квантовый симулятор. На коммерческий уровень с подобными системами вышла компания Honeywell. Новая система Honeywell оперирует 6 кубитами в оптических ловушках, что само по себе говорит о границе практической применимости подобных технологий. Поэтому 100 атомов в системе Phoenix компании Atom Computing могут превратиться в систему со значительно меньшим числом логических кубитов. Тем не менее, система представляется интересной, и мы за ней проследим.

Нидерландский стартап QuantWare представил «первые в мире коммерчески доступные сверхпроводящие квантовые процессоры». Квантовые процессоры можно купить почти как обычные и быстро собрать на них систему, что раньше было по плечу только гигантам типа IBM, Google или Microsoft. Процессоры поставляются как в упаковке, так и отдельными кристаллами. Цена вопроса не раскрывается.

Soprano QPU. Источник изображения: QuantWare

Корни стартапа QuantWare уходят в нидерландский центр квантовых исследований QuTech Делфтского технологического университета (TU Delft). С центром QuTech плотно сотрудничает компания Intel, которая поставляет учёным свои криогенные процессоры. Выходцы из QuTech и TU Delft создали в 2020 году компанию QuantWare в надежде получить выгоду от очень и очень модной темы.

«Наш Soprano QPU — это то, чем Intel 4004 был для полупроводникового бизнеса, — сказал соучредитель QuantWare Маттейс Райлаарсдам (Matthijs Rijlaarsdam). — Сверхпроводящие кубиты легко настраиваются, просты в управлении и хорошо масштабируемы. Эта практичность делает сверхпроводящие QPU, безусловно, наиболее вероятным кандидатом для краткосрочных приложений квантовых вычислений».

Квантовый процессор Soprano содержит 5 кубитов, конфигурация которых может меняться от заказа к заказу. Заявленная точность каждого кубита составляет 99,95 % в течение 10 мкс. На этих процессорах небольшие лаборатории и научные центры могут создавать собственные квантовые вычислители и изучать тему без значительных вливаний в уникальное оборудование.

Компания QuantWare в первом раунде сбора инвестиций привлекла 1,15 млн евро. В скором времени сотрудники QuantWare планируют переезд в более просторное здание для расширения производства квантовых процессоров. Компания также рассчитывает разрабатывать криогенные процессоры под заданные клиентами алгоритмы вместе с заказчиками. В обычном случае срок исполнения заказа не превышает 30 дней, но для уникальных проектов это время может быть больше. Заметим, что криогенная установка в комплект поставки не входит.

Выявлять квантовые эффекты на уровне атомов и элементарных частиц — это непростая и труднореализуемая задача. Постичь всегда лучше то, что можно наблюдать и точно измерить. В идеале необходимо заставить квантовые эффекты возникать на макроуровне — на уровне классической физики. Этой проблемой занялись исследователи из Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) и преуспели.

Зелёная точка в центре — это стеклянная наносфера. Источник изображения: ETH Zurich

На днях в опубликованной в журнале Nature статье группа авторов под руководством профессора фотоники ETH Zurich Лукаса Новотны (Lukas Novotny) сообщила о квантовом эксперименте со стеклянной наносферой диаметром 100 нм. Это объект нашего родного макроскопического мира, хотя он в сотни раз тоньше человеческого волоса. В то же время крохотный шарик из стекла содержит десять миллионов атомов и не может (и не должен) проявлять квантовые эффекты. Но учёные создали шарику из стекла условия, при которых он может повести себя как электрон или одиночный атом. В частности, шарик может повести себя как волна, а не только как частица, и это явление возможно наблюдать едва ли не воочию.

Задача исследователей заключалась в том, чтобы замедлить стеклянный шарик как совокупность всех атомов до квантового состояния с наименьшей энергией. В таком состоянии частицы остаются стабильны и позволяют наблюдать волновые свойства. Для этого шарик поместили в вакуумную камеру и охладили до температуры 269 °C ниже нуля. Тепловое движение атомов сферы значительно снизилось, но для проявления шариком квантовых эффектов необходимо более сильное охлаждение, с чем исследователи пока не справились.

Пока же учёные испытали на наносфере возможность замедления с использованием электромагнитных колебаний. В вакууме в подвешенном состоянии наносфера удерживается в оптической ловушке, которую создаёт лазерный луч. Другой луч позволяет точно измерять колебания наносферы, а обратная связь с электродами позволяет в заданные моменты времени включать электромагнитные поля для гашения колебательных движений сферы. Примерно так в обычной жизни мы раскачиваем или тормозим качели — создаём ускоряющий или тормозящий импульс в нужные для решения задачи моменты времени.

Наносфера в лазерной ловушке может быть заторможена до проявления квантовых эффектов. Источник изображения: ETH Zurich

Если учёные смогут затормозить наносферу до квантового состояния с наименьшей энергией, что придаст шарику квантовомеханические свойства, дальше дело будет за малым. Существуют проверенные в физике эксперименты с двойными щелями, которые проявляют волновые функции частиц. В таких экспериментах электроны или атомы как бы оказываются в двух местах одновременно, проявляя волновые свойства. На деле речь идёт о явлении интерференции, когда разные части волны проходят через две разнесённые в пространстве щели и на выходе создают характерную картинку. Подобную картинку учёные рассчитывают увидеть в эксперименте со стеклянной наносферой, что станет доказательством квантового явления на макроуровне.

Классический двухщелевой опыт. Источник изображения: Wikipedia

Добавим, даже сегодня у таких не доведённых до конца экспериментов огромный потенциал. На основе таких наносфер и околоквантовых явлений можно создавать датчики ускорения и перемещения, которые будут точнее отслеживать перемещение объектов, чем все GPS вместе взятые. Особенно такое любят военные, но это уже другая история.

Кубиты — квантовые биты — удерживают квантовые состояния настолько короткое время, что проводить вычисления с их помощью крайне сложная задача. Любые шумы в системе разрушают состояния кубитов и ведут к ошибкам. Физики Google смогли доказать, что ошибок в квантовых вычислениях можно избежать практически полностью, если правильно организовать систему коррекции сбоев.

Квантовый процессор системы Google Sycamore. Источник изображения: Google

В издании Nature группа исследователей Google сообщила, что логический кубит может удерживать квантовое состояние без разрушений неопределённо долгое время, тогда как сегодня в той же криогенной установке Google Sycamore шум разрушает квантовое состояние кубита уже примерно через 15 мкс. Для организации абсолютно надёжного и пригодного для программируемых квантовых вычислений логического кубита необходимо «всего» около 1000 физических кубитов

Нельзя сказать, что учёные Google открыли Америку. Методика по дублированию квантового состояния логического кубита в квантовых состояниях трёх физических кубитов давно используется и даёт свой результат — даже при возникновении ошибки в одном из трёх физических кубитов два других, скорее всего, покажут истинное состояние логического кубита. Шаг вперёд исследователей Google заключается в том, что они практически доказали, что время удержания квантового состояния логического кубита экспоненциально растёт с  увеличением числа физических кубитов на каждый логический кубит.

В поставленном эксперименте с 11 физическими кубитами на один логический кубит вероятность ошибки удержания квантового состояния по прошествии 50 мкс была снижена с 40 % до 0,2 %. В то же время Google пока не может похвастаться одновременной коррекцией обоих типов ошибок: со случайными переворотами битов и со случайными переворотами фазы. Подобное планируется устранять с помощью так называемых поверхностных кодов — двумерных матриц из логических и физических кубитов. Поверхностные коды обещают существенно снизить потребность в физических кубитах для коррекции ошибок, а то заявленные 1000 штук на одно логическое значение совсем не обнадёживают.

Команда физиков из Гарвардского технологического института и нескольких других университетов разработала и готовится собрать самый большой из когда-либо созданных программируемых квантовый симуляторов из 256 кубитов. Это будет важный шаг к крупномасштабным квантовым системам, который может многое изменить в области квантовых вычислений. Количество квантовых состояний в таком симуляторе больше, чем количество атомов в Солнечной системе.

В гарвардской лаборатории Лукина (профессор на заднем фоне). Источник изображения: Rose Lincoln/Harvard Staff Photographer

Новая система создаётся в гарвардской лаборатории выпускника МФТИ профессора Михаила Лукина — одного из ведущих в мире учёных по квантовым системам. Разработка опирается на созданную в лаборатории квантовую платформу, которая ранее позволила создать 51-кубитовый квантовый симулятор. «Это перемещает исследования в новую область, где до сих пор никто никогда не был, — говорит Михаил Лукин. — Мы входим в совершенно новую часть квантового мира».

Надо отметить, что Лукин не считает свою систему квантовым компьютером. Он честно признаёт, что это симулятор квантовых процессов в очень узкой области применения. Более того, профессор не имеет представления, какие практические задачи и каким образом могут решать квантовые вычислители, но ожидает от экспериментальных квантовых платформ множество интересных научных открытий, прежде всего фундаментальных.

Предложенная Лукиным платформа квантового симулятора использует дефекты в кристаллических структурах, например, в искусственных алмазах, куда помещаются сверхохлаждённые атомы рубидия. Оперировать атомами можно с помощью так называемых оптических или лазерных пинцетов, что дало право назвать установку «программируемым» симулятором. Первоначально атомы заселяются в дефекты кристаллической решётки опорного материала случайным образом, а затем оптическим пинцетом перемещаются в те позиции, которые нужны для проведения эксперимента — так симулятор программируется.

Собранная из серии картинок анимация, где каждая точка — это атом рубидия. Источник изображения: группа Лукина

Поле создания условий для симуляции процесс запускается и учёным остаётся только наблюдать, как в материале происходят квантовые процессы и чем они закончатся. Точность оперирования атомами настолько высока, что это позволяет нарисовать атомами анимированную картинку, что учёные наглядно показали.

Что же, 256-кубитовый программируемый квантовый симулятор позволит рисовать более детальные изображения Марио. А если серьёзно, эксперименты с квантовой симуляцией на новом уровне помогут физикам ещё дальше продвинуться по пути к многокубитовым квантовым системам и обнаружить много интересного.

BMW Group совместно с Amazon Web Services (AWS) анонсировали специальный конкурс для компаний и исследователей, занятых квантовыми технологиями и готовых представить специализированные разработки, предназначенные для использования в автомобильной индустрии.

physicsworld.com

В автомобильной промышленности квантовые вычисления обеспечат комплексную оптимизацию технологических процессов, исследование новейших материалов и поддержку систем автономного вождения.

Говоря о новой инициативе, вице-президент BMW Group Research Петер Ленерт (Peter Lehnert) заявил, что технологический ландшафт на поле квантовых вычислений только начинает принимать формы. Фирмы и исследовательские институты применяют разные подходы. По его словам, по аналогии с «краудфандингом» компания запускает «краудинновации» в надежде привлечь дополнительные инновационные ресурсы, превышающие возможности стандартного процесса проведения тендеров.

По данным компании выделено 50 сфер, в которых квантовые вычисления способны принести ощутимую выгоду в будущем. BMW намерена сфокусировать усилия на четырёх ключевых сферах: оптимизации автомобильных сенсоров для автономного вождения, симуляции деформации материалов в процессе производства, оптимизации предпроизводственных конфигураций и машинном обучении для автоматизированной оценки качества.

В июне BMW совместно с BASF, Boehringer Ingelheim, Bosch, Infineon, Merck, Munich Re, SAP, Siemens и Volkswagen основали т. н. Quantum Technology and Application Consortium (QUTAC). Группа намерена ускорить развитие квантовых технологий на территории Европы в целом и Германии в частности.

Со стороны Amazon в «конкурсе» участвует Amazon Quantum Solutions Lab, сообщается, что участникам будет предоставлена возможность использовать среду для разработчиков Amazon Braket для создания и тестирования квантовых алгоритмов.

Регистрация участников уже началась, приём заявок заканчивается 24 сентября. После этого они будут обсуждаться и оцениваться комиссией экспертов. Финальное мероприятие состоится в декабре текущего года. Победители получат возможность лично представить идеи панели экспертов. По данным BMW, в качестве весомого бонуса они получат BMW Group в качестве клиента и будут участвовать во внедрении своих пилотных проектов.

Учёные из Европейского союза завершили проект по использованию в качестве спиновых кубитов дырок вместо электронов в полупроводниках. Два года исследований позволили добиться квантовых эффектов запутанности и управления дырками в тонких слоях полупроводниковых соединений. Дырки реагируют на более слабые магнитные поля, что позволяет снизить шумы в квантовых компьютерах и создать вычислители с большим числом кубитов.

Источник изображения: Pixabay/CC0 Public Domain

Вопросом использования в качестве кубитов дырок — положительно заряженных квазичастиц с зарядом, равным заряду электрона — учёные занимались в проекте MaGnum (Majorana bound states in Ge/SiGe heterostructures), который завершён в марте 2021 года. Проект признан успешным, поскольку в ходе лабораторных экспериментов созданы многослойные тонкоплёночные структуры со спиновыми кубитами из дырок.

Учёные из соединения германия и кремния создали практически двумерную среду для ограниченного перемещения дырок. Внешние оболочки среды (слоя) были из кремния, на котором изготовили затворы для управления дырками — фактически транзисторы. Подача напряжения на затворы генерировала электромагнитные поля в соединении. Поля заставляли дырки в двумерном слое так или иначе проявлять себя и взаимодействовать друг с другом.

Дырки обладают практически полным набором квантово-механических свойств как у электрона. Они точно также несут спин и взаимодействуют друг с другом при сближении. Но для управления дырками требуется всего 10 мТл напряжённости магнитного поля, что намного меньше, чем для управления электронами. Это крайне критично для криогенной спинтроники, которая плохо переносит сильные магнитные поля. Поэтому дырки могут оказаться отличными кандидатами в кубиты для квантовых компьютеров на полупроводниках.

Команда исследователей из Университета науки и технологий Китая разработала программируемый квантовый компьютер на базе сверхпроводящих кубитов, который претендует на звание самого производительного в мире. Он за час справился с поставленной перед ним вычислительной задачей, тогда как у обычных классических компьютеров на её решение потребовалось бы более восьми лет. Учёные опубликовали результаты своей работы в репозитории научных трудов ArXiv.

Схема двумерного сверхпроводящего кубита-чипа. Изображение: Университет науки и технологий Китая

Разработка китайских исследователей получила название Zuchongzhi. Она представляет собой двумерный программируемый сверхпроводящий квантовый процессор, способный объединить до 66 кубитов. Для демонстрации его возможностей учёные из Поднебесной использовали 56 кубитов. Перед системой стояла задача по моделированию случайных квантовых цепочек (random quantum circuits) — совершению длинных последовательностей операций над кубитами и измерение результатов. Причём чем больше в системе кубитов, тем сложнее решение задачи. Получить такие же результаты на классическом суперкомпьютере будет крайне сложно из-за необходимости просчёта огромного числа возможных состояний, в которых может находиться система (два в степени равной числу кубитов).

«По нашим подсчётам с задачей по моделированию случайных квантовых цепочек Zuchongzhi справился за 1,2 часа, в то время как у самых мощных суперкомпьютеров в мире на неё уйдёт как минимум восемь лет», — указывают исследователи в своей статье. Учёные также отмечают, что их работа демонстрирует однозначное превосходство в вычислительной мощности над классическими компьютерами, которые не позволяют проводить подобные расчёты в разумные сроки.

Задача, которую решал китайский квантовый компьютер Zuchongzhi, примерно 100 раз сложнее, чем та, которую решал квантовый процессор Google Sycamore в 2019 году, который называли самым мощным в мире. Квантовая система Sycamore использовала 54 кубита, а Zuchongzhi — 56 и при этом продемонстрировала результат, доказывающий, что с увеличением числа квантовых битов производительность квантовой системы увеличивается в геометрической прогрессии. Таким образом новая китайская разработка является самым мощным программируемым квантовым компьютером в мире, и имеет потенциал для увеличения производительности (при активации всех доступных 66 кубитов). 

К слову, та же команда китайских учёных в 2020 году продемонстрировала ещё один квантовый компьютер. Он работал на базе 76 фотонных кубитов и использовал сложную установку из лазеров, зеркал, призм, детекторов фотонов и не был программируемым, как Zuchongzhi или тот же Sycamore.

В компании IBM теоретически и практически доказали неизбежность квантового превосходства. Доказательства приведены на базовом уровне, поэтому масштаб решаемых задач не важен. Как показали в компании, даже элементарные квантовые цепи способны решать задачи, недоступные классическим компьютерам, и это только первые шаги.

Источник изображения: IBM

Предыдущие доказательства квантового превосходства, например, оспоренное многими доказательство компании Google, опирались на выполнение определённых сложных расчётов. В IBM не стали идти по этому пути, поставив перед собой цель железно (в прямом и переносном смысле) доказать превосходство неких базовых принципов квантовых систем. Сначала они сделали это теоретически, а потом подтвердили верность решения практическим экспериментом.

Для проведения эксперимента в IBM взяли задачу определения большинства из трёх значений. Для решения этой задачи была создана классическая электронная схема с одним логическим элементом с двумя входами и одним регистром (битом) для хранения промежуточных результатов. Аналогичная по назначению и реализации квантовая схема опиралась на четыре кубита, три из которых кодировали входящий сигнал, а четвёртый кубит хранил промежуточный результат.

На вход каждой схемы подавались данные, результаты считывались после обработки. Если на вход подавалось больше половины нулей, чем единиц, то схема должна была вернуть 0. Если единиц было больше, схема должна была вернуть 1. Классическая электронная схема с 0 и 1 возвращала правильный результат не каждый раз. При подключении к ней генератора случайных чисел и многократном повторении эксперимента схема выдавала правильный ответ в 87,5 % случаев из-за ошибок и аналоговой природы происходящих в ней физических процессов.

Квантовый компьютер IBM даже в современном «шумном» состоянии кубитов правильно решал задачу в 93 % случаев. Идеальная квантовая система с полным отсутствием ошибок правильно решала бы эту задачу в 100 % случаев или, проще — она всегда выдавала бы правильный результат в отличие от классического компьютера.

Отчёт о проделанной работе специалисты IBM предоставили в журнале Nature Physics. Приведенные данные доказывают, что квантовое превосходство — это не миф. По крайней мере, для решения задач с ограниченными условиями.

Учёные продвинулись в создании отдельных квантовых вычислителей и настала пора подумать о создании кластеров из нескольких систем. Проблема в том, что у разных групп свои квантовые платформы — сверхпроводящие, оптические, кремниевые или иные. Новая работа российских физиков позволяет рассчитывать на эффективный обмен информацией между квантовыми системами на разных платформах для использования преимуществ каждой.

Многослойная структура для создания сверхсильной фотон-магнонной связи. Источник изображения: Science Advances

Учёные из МФТИ и МИСиС разработали и протестировали новую платформу для реализации сверхсильной фотон-магнонной связи. Фотоны — это логичный выбор для обмена информацией между системами, а магноны — это квазичастицы, которые способны стать своеобразным интерфейсом между кубитами и внешними линиями связи. Российским физикам удалось создать на кремнии многослойную тонкоплёночную структуру, в которой фотоны «замедлялись» до такой степени, что могли создавать сверхсильное взаимодействие с магнонами.

Монтирование сверхпроводящего чипа на плату. Источник изображения: Андрей Змеев, пресс-служба МФТИ

«Основным сдерживающим фактором для развития подобных систем является принципиально слабая связь между фотонами и магнонами. Фотоны — это квантовые электромагнитные колебания, стоячая электромагнитная волна, запертая в резонаторе. Магноны — коллективные спиновые возбуждения, или магнитные колебания. Они разного размера, и у них разные законы дисперсии. Здесь можно привести для аналогии всем известных слона и моську — разница в размерах в сотню раз делает взаимодействие очень сложным», — поясняют в МФТИ.

Игорь Головчанский с с исследуемым чипом в руках. Источник изображения: Андрей Змеев, пресс-служба МФТИ

Для реализации сильного взаимодействия фотонов с магнонами учёные создали две тонкоплёночные структуры. Одна из них в сотню раз снижала фазовую скорость фотонов — это слои сверхпроводник/диэлектрик/сверхпроводник, а другая — слои сверхпроводник/ферромагнетик/сверхпроводник — увеличивала коллективные собственные частоты спина (магнона). Подобная структура кратно увеличила взаимодействие фотонов и магнонов, что открывает путь к новым решениям в области сверхпроводящей спинтроники и магнонике и, в общем случае, приведёт к созданию гибридных квантовых систем. О работе рассказано в престижном журнале Science Advances. Статья свободно доступна по ссылке.

Американская компания IBM представила свой первый квантовый компьютер IBM Q System One за пределами США. Новые мощности построены на базе исследовательского центра Общества Фраунгофера в Германии — в 20 км от Штутгарта.

wraltechwire.com

Согласно совместному заявлению организаций-партнёров, модель с вычислительной мощностью 27 кубит на сегодня является самой мощной квантовой системой из созданных где-либо в Европе. Кубит (квантовый бит) представляет собой базовую единицу квантовых вычислений — своеобразную версию классического бинарного бита.

Исследовательская платформа будет доступна коммерческим компаниям и исследовательским организациям для разработки и тестирования прикладных квантовых алгоритмов и создания уникальных технологий на их основе.

Управлением эксплуатацией квантового компьютера будет заниматься общество Фраунгофера. Все данные о проектах и пользователях сохранятся в Германии, в соответствии с местным законодательством.

«Использование квантовых вычислений как ключевой технологии для сохранения конкурентоспособности и сохранения технологического суверенитета вызывают огромный интерес как у представителей промышленности, так и среди исследователей», — заявил президент общества Раймунд Нойгебауэр (Reimund Neugebauer).