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».

Nvidia объявила, что в этом году в Бостоне откроется новый исследовательский центр, который ускорит развитие квантовых компьютеров и прикладных квантовых алгоритмов. Центр объединит усилия ведущих специалистов в области архитектуры и алгоритмов, которые с помощью суперускорителей Nvidia ускорят приближение будущего, в котором практичные и устойчивые к ошибкам квантовые вычисления станут привычным явлением.

Источник изображения: Nvidia

Центр NVAQC (Nvidia Accelerated Quantum Research Center) соединит передовое квантовое вычислительное оборудование с суперкомпьютерами и моделями искусственного интеллекта. NVAQC поможет решить самые сложные задачи квантовых вычислений — от устранения шума кубитов до преобразования экспериментальных квантовых процессоров в практические устройства.

Ведущие разработчики квантовых вычислений, включая Quantinuum, Quantum Machines и QuEra Computing, будут использовать возможности NVAQC для продвижения исследований, сотрудничая с ведущими университетами — Гарвардом (HQI), Массачусетским технологическим институтом (MIT) и другими.

«Квантовые вычисления дополнят возможности суперкомпьютеров с искусственным интеллектом при решении одних из самых важных проблем в мире — от создания лекарств до разработки новых материалов, — сказал Дженсен Хуан (Jen-Hsun Huang), основатель и генеральный директор Nvidia. — Работая с широким сообществом квантовых исследователей над развитием гибридных CUDA-квантовых вычислений, Центр квантовых исследований NVAQC станет местом, где будут достигнуты прорывные результаты в создании крупномасштабных, полезных и ускоренных квантовых суперкомпьютеров».

В рамках NVAQC коммерческие и академические партнёры получат от Nvidia доступ к самым современным стоечным системам Nvidia GB200 NVL72 — это самое мощное аппаратное обеспечение, когда-либо использовавшееся в области квантовых вычислений. Оно позволит проводить сложное моделирование квантовых систем и использовать алгоритмы управления квантовым оборудованием с низкой задержкой, необходимой для коррекции квантовых ошибок. Системы Nvidia GB200 NVL72 также ускорят внедрение алгоритмов искусственного интеллекта в исследования квантовых вычислений.

Платформа Nvidia CUDA-Q обеспечит интеграцию графических ускорителей компании с различными квантовыми вычислительными архитектурами, что позволит исследовательским группам разрабатывать новые гибридные квантовые алгоритмы и приложения. В конечном итоге это поможет создать прорывные квантовые вычислительные платформы в кратчайшие сроки.

Израильский стартап QuamCore представил концепцию устойчивого к ошибкам и имеющего практическую ценность квантового компьютера с миллионом кубитов. Основная ценность разработки заключается в уникальной «сжатой» архитектуре криогенного вычислительного блока. Для достижения компактности и возможности дальнейшего масштабирования схемы управления квантовыми цепями удалось разместить ближе к кубитам, внутри криогенной камеры.

Источник изображения: QuamCore

Презентация состоялась после того, как QuamCore получила начальное финансирование в размере $9 млн от Viola Ventures при участии Earth & Beyond, которая инвестировала в компанию на ранних этапах, а также Surround Ventures, стратегических международных инвесторов и Израильского управления инноваций.

«Мы основали компанию с одной-единственной целью – решить проблему масштабирования, которая мешает квантовым компьютерам быть практичными и полезными», — сказал генеральный директор и соучредитель QuamCore Алон Коэн (Alon Cohen) в интервью изданию Ynet.

«Мы с самого начала поняли, что реальная ценность заключается в достижении миллиона кубитов. Мы нашли способ преодолеть основное препятствие, которое до сих пор мешало этому, — сказал он. — У нас есть подробный план создания квантового компьютера на миллион кубитов со встроенной коррекцией ошибок, что значительно приближает нас к практическим квантовым системам, способным решать реальные задачи».

Использующие сверхпроводящую технологию квантовые процессоры должны работать при температуре, близкой к абсолютному нулю. Для этого они помещаются в системы криогенного охлаждения. Сотни золотых проводов, соединяющих чип, создают характерный для квантовых компьютеров вид «люстры». Подобный подход, считают в QuamCore, имеет предел масштабирования примерно на уровне 5000 кубитов. Для дальнейшего расширения платформы и увеличения числа кубитов таким способом потребуется масштабная криогенная инфраструктура, что неимоверно сложно и дорого.

Классический квантовый компьютер на сверхпроводящих кубитах. Источник изображения: IBM

Разработка QuamCore устранила давнее ограничение: необходимость размещать систему управления вне охлаждающей камеры, что делалось для предотвращения нагрева рабочего объёма с кубитами. В компании создали компактный вычислительный блок, легко поддающийся масштабированию, чем сразу решили множество будущих проблем, связанных с созданием кластерных структур.

Коэн заявил, что этот прорыв снижает затраты на вычисления и энергопотребление в 1000 раз, сокращает время сборки систем до нескольких дней и позволяет объединять квантовые компьютеры в сеть для дальнейшего увеличения количества кубитов. У предложенной системы пока только один недостаток — она существует лишь на бумаге.

Привлечение инвестиций даёт надежду вскоре увидеть прототип интересной квантовой вычислительной архитектуры. В компании QuamCore работает группа специалистов в области квантовой физики. Глава QuamCore ранее участвовал в основании компании Mobileye, занимавшейся созданием платформ визуализации, которую успешно продали Intel. Не исключено, что QuamCore с её невероятными перспективами по созданию компьютера с миллионом кубитов тоже со временем попадёт в хорошие руки.

Компания D-Wave пополнила ряды разработчиков квантовых компьютеров, заявивших о достижении так называемого «квантового превосходства». Под этим термином понимается способность квантовой системы решать задачи, которые у традиционного компьютера заняли бы миллионы лет вычислений. Это достижение может привести к появлению практических квантовых систем.

Источник изображений: D-Wave

Компания из Пало-Альто опубликовала в научном журнале Science статью, в которой описала, как её квантовая система провела моделирование новых магнитных материалов — задачи, которая, по её словам, не под силу современным классическим компьютерам. Такие материалы используются в различных датчиках, смартфонах, двигателях и медицинских устройствах визуализации.

«В каком-то смысле это Святой Грааль квантовых вычислений, — сказал Алан Барац (Alan Baratz), исполнительный директор D-Wave. — Это то, к чему стремились все в отрасли, и мы первые, кто действительно продемонстрировал это».

Как рассказал Эндрю Кинг (Andrew King), старший научный сотрудник D-Wave, моделирование нового материала со сложным магнитным полем с помощью квантового компьютера было выполнено менее чем за 20 минут. У ведущего суперкомпьютера Ок-Риджской национальной лаборатории аналогичная задача заняла бы около миллиона лет для достижения того же уровня детализации.

В компании заявили, что эта демонстрация стала первым случаем применения квантового компьютера для решения задач, имеющих практическое применение. По словам Бараца, возможность моделировать новые магнитные материалы, широко используемые в промышленности, означает, что их свойства могут быть изучены ещё до запуска в производство.

Подход D-Wave заметно отличается от методологии других разработчиков квантовых компьютеров. Вместо того чтобы пытаться создать универсальный квантовый компьютер, способный решать практически любые задачи, D-Wave выбрала более узкоспециализированный подход — квантовый отжиг. Эта технология лучше всего подходит для решения сложных оптимизационных задач, а также для некоторых видов моделирования материалов.

Несмотря на более узкую сферу применения, эта технология остаётся востребованной в бизнесе. Например, квантовая система хорошо справляется с «задачей коммивояжёра» — поиском оптимального маршрута между большим количеством различных точек.

В эксперименте был задействован прототип квантового компьютера Advantage2, который насчитывает более 1200 кубитов и более 10 000 «каплеров» (couplers) и доступен для клиентов D-Wave через облачный квантовый сервис Leap в реальном времени. Этот прототип значительно быстрее систем Advantage предыдущего поколения и позволяет находить более качественные решения для больших и сложных задач, отмечает производитель. Более того, в настоящее время D-Wave располагает процессором Advantage2, который в четыре раза превышает по мощности задействованный в эксперименте прототип.

D-Wave стала не первой компанией, заявившей о достижении квантового превосходства (хотя сама использует термин «квантовое преимущество» в том же значении). Первыми о нём объявили в Google ещё в 2019 году, однако их заявление вскоре было опровергнуто китайскими исследователями. Они показали, что традиционный суперкомпьютер можно было запрограммировать на выполнение той же задачи за гораздо меньшее время, чем утверждала Google.

Стоит отметить, что в последнее время квантовые компьютеры снова «вошли в моду». Недавно Google и Amazon анонсировали свои собственные квантовые чипы, а Microsoft в феврале заявила, что создала квантовый процессор на частицах, которые ещё не были обнаружены учёными. Эти разработки, по мнению компании, помогут сделать квантовые компьютеры более мощными.

D-Wave утверждает, что её машины коммерчески полезны уже много лет, хотя компании с трудом удаётся построить масштабный бизнес. Первые три квантовых компьютера она продала 14 лет назад, в том числе один консорциуму, в который входили Google и NASA, а затем перешла к продаже доступа к своей технологии через облако. За первые девять месяцев 2024 года выручка компании составила всего $6,5 млн, а убыток — $57 млн. Тем не менее в D-Wave считают, что четверть века, потребовавшиеся на достижение квантового превосходства, — вполне разумный срок по сравнению с десятилетиями, которые понадобились для коммерциализации традиционных компьютеров после изобретения транзистора.

16 марта начнёт работу конференция American Physical Society (APS), на которой ожидаются горячие дебаты по поводу разработанного компанией Microsoft квантового процессора Majorana 1 на не открытых физиками частицах — фермионах Майораны. Все работы Microsoft по поводу разработки были настолько сомнительными, что ряд физиков открыто обвиняют компанию в мошенничестве. В научном сообществе конференцию APS ждут с нетерпением и советуют запасаться попкорном.

Источник изображений: Microsoft

Заявления Microsoft о прорыве в разработке квантовых процессоров были сделаны в феврале, когда компания объявила, что её собственные специалисты создали «первый в мире топопроводник — революционный тип материала, который позволяет регистрировать майорановские частицы и управлять ими для создания более надёжных и масштабируемых кубитов, которые являются строительными блоками для квантовых компьютеров».

Поскольку фермионы Майораны пока ещё никто из физиков не регистрировал, множество учёных восприняли заявления Microsoft о квантовом прорыве как «ненадёжные» и «по сути мошеннические». В то же время в компании настаивают, что всё сделали правильно, и скоро поделятся ещё более впечатляющими результатами, в частности, на предстоящей конференции APS. Почему это не было сделано сразу, в компании не объясняют.

Один из аргументов Microsoft заключается в том, что статья была направлена для публикации в марте 2024 года, но вышла в печать в феврале 2025 года, хотя практика исправлять статьи широко распространена, и никто не мешал внести правки перед публикацией.

Microsoft и раньше делала громкие заявления о частицах Майораны, но ничем хорошим это не заканчивалось: в 2021 году исследователи из Редмонда отказались от статьи 2018 года, в которой они утверждали, что обнаружили эти частицы. Новая статья также изобилует пробелами и неточностями, на которые специалисты начали указывать после публикации в Nature. Развёрнутый ответ на критику компания обещает дать на конференции APS в период с 16 по 21 марта.

Генри Легг (Henry Legg), преподаватель теоретической физики в Сент-Эндрюсском университете в Великобритании (University of St Andrews), недавно опубликовал критический обзор в виде препринта на сайте arXiv.org, в котором утверждает, что работа гиганта программного обеспечения «ненадёжна и требует повторного рассмотрения».

Винсент Мурик (Vincent Mourik), физик-экспериментатор из немецкой национальной исследовательской организации Forschungszentrum Jülich, и Сергей Фролов, профессор физики и астрономии в Университете Питтсбурга в США (University of Pittsburgh), использовали YouTube, чтобы раскритиковать «отвлекающие факторы, вызванные ненадежными научными заявлениями Microsoft Quantum».

В интервью The Register Фролов пошел ещё дальше: «Эти опасения возникли довольно давно, так что [реакция сообщества] была вызвана не только этим объявлением как таковым. Оно было сделано в такой экспрессивной манере, что, я думаю, вызвало реакцию, но [не изменило] основного понимания того, что это, по сути, мошеннический проект». Фролов пояснил своё резко негативное отношение к открытию тем, что «это предполагаемая технология, основанная на фундаментальных физических законах, которые не были установлены». «Так что это довольно серьёзная проблема», — сказал учёный.

Фролов также заявил, что несколько недель назад в преддверии встречи APS на следующей неделе Microsoft уже поделилась данными с избранными исследователями, и это не укрепило уверенность приглашённых на мероприятие учёных в заявлениях компании. «Меня там не было, но я поговорил с несколькими людьми, которые были там… и они были не в восторге, и было много критики», — сказал он.

Физик уверен, что встреча APS на следующей неделе не решит этот вопрос по двум причинам. Во-первых, он считает, что Microsoft неправильно поняла науку: «Как физик я могу сказать, что этот кубит, о котором они говорят, просто не может работать, потому что топологический кубит требует майорановских частиц, а без майорановских частиц он не может существовать».

«Если все ваши результаты по Майоране будут тщательно изучены и подвергнуты критике, то это ни в коем случае не будет топологическим кубитом. Это оставляет только один вариант: это… ненадёжная демонстрация. И именно поэтому я говорю о мошенничестве, потому что на данный момент у меня нет других слов», — продолжает свои рассуждения Фролов.

По мнению профессора, формат конференции APS на следующей неделе не позволит тщательно изучить заявления Microsoft. В письме в адрес APS он пеняет организаторам за то, что они не пригласили выступить с докладом критиков Microsoft. Также в письме содержится призыв к APS раскрыть информацию о выплатах, полученных от Microsoft, и уведомить участников конференции о проблемах сообщества, связанных с заявлениями гиганта программного обеспечения. Также автор обращения желает, чтобы Microsoft поделилась исчерпывающими данными о своём исследовании, чтобы при необходимости внести исправления.

Критика со стороны Генри Легга связана с его мнением, что Microsoft опирается на тесты, которые не работают. «С этим так называемым протоколом топологического зазора возникает много проблем, — объяснил Легг. — И, в конечном счёте, он не даёт никакой информации о реальной физике, которая происходит в этих устройствах. В итоге протокол чувствителен к таким вещам, как диапазоны измерений». По мнению физика, компания в разных статьях использует разные диапазоны измерений, что она никак не объясняет в последней работе. Также учёный прослеживает несоответствия в статьях Microsoft за разные годы.

«У них было определение топологического [состояния], а потом они его изменили, — сказал он. — По сути, они превратили его в нечто почти бессмысленное и, безусловно, бессмысленное, когда дело доходит до создания топологического кубита».

Проблема, с которой столкнулась Microsoft, объяснил Легг, схожа с проблемой, из-за которой исследователи компании отозвали свою статью 2018 года. По его словам, это стало необходимым, потому что описанное в ней поведение не было доказательством существования частиц Майораны, а лишь описанием нарушения в системе.

«Суть в том, что системы, на которые они смотрят, по-прежнему так же неупорядочены, и качество устройств не улучшилось. Единственное, что улучшилось, — это качество пиар-кампании или, по крайней мере, уровень заявлений, которые они делают. И я бы сказал, что почти все в этой области [науки] согласны с этим», — отстаивает свою позицию учёный.

В Microsoft обещают дать развёрнутый ответ на предстоящей конференции, продолжая настаивать на том, что они придерживаются научного подхода, и претензий со стороны рецензентов и редакции журнала Nature не было.