Группа учёных из Оксфордского университета (University of Oxford) и Высшего технического института в Лиссабоне (Instituto Superior Técnico in Lisbon) создала самую точную симуляцию квантовых эффектов в вакууме. Им впервые удалось на модели показать, как «из ничего» возникает свет. Модель готовит почву для экспериментов, которые смогут подтвердить давнюю теорию о том, что вакуум — это не пустота, а источник виртуальных частиц.

Источник изображения: Zixin (Lily) Zhang

Согласно современным представлениям, все элементарные частицы и весь наш осязаемый и неосязаемый мир — это проявления квантовых полей. По сути, все частицы во Вселенной являются виртуальными. В частности, вакуум постоянно порождает электронно-позитронные пары, которые возникают и исчезают слишком быстро, чтобы их можно было зафиксировать современными приборами. Учёные лишь недавно подошли к созданию лазеров мощностью 100 и более петаватт, способных воздействовать на мир на столь фундаментальном уровне, что даже вакуум (квантовые поля) начнёт реагировать.

Работа британских и португальских исследователей поможет экспериментально зафиксировать эти явления. Симулятор смог воспроизвести эффект, известный как четырёхволновое смешение в вакууме. Vacuum four-wave mixing (FWM) — это нелинейный оптический процесс, происходящий в вакууме при взаимодействии четырёх электромагнитных волн на квантовом уровне. В отличие от классического FWM, которое обычно происходит в средах с выраженной нелинейностью, например в кристаллах или газах, вакуумное FWM обусловлено квантово-электродинамическими (КЭД) эффектами, такими как виртуальные электронно-позитронные пары, возникающие в силу принципа неопределённости Гейзенберга.

Эксперимент в симуляции был основан на воспроизведении эффекта фотон-фотонного рассеяния. Два лазерных луча мощностью в сотни петаватт (на иллюстрации показаны зелёным цветом) пересекались в одной точке с поляризационным лазером меньшей мощности (красным). Точнее, этот лазер поляризовал вакуум, создавая условия для рассеяния фотонов на виртуальных частицах. В результате возникал четвёртый луч (фиолетовый на иллюстрации), обладающий отличными от исходного излучения характеристиками — длиной волны и уровнем энергии. При этом соблюдались законы сохранения энергии и импульса.

Представленная модель впервые обеспечила симуляцию с временным разрешением. Для постановки натурного эксперимента требуется соблюдение множества сверхточных параметров — по ориентации, фокусировке и другим характеристикам пересекающихся лучей. Модель показала, как именно нужно это реализовать и где наблюдать результат. Желающие получить Нобелевскую премию по физике могут погрузиться в статью о симуляции, опубликованную в журнале Communications Physics.

Китайский стартап QuantumCTek из Хэфэя представил универсальный блок контроля и управления сверхпроводящими кубитами. Полностью разработанный в Китае модуль способен управлять 1000 кубитов. Его можно использовать с любой сверхпроводящей квантовой платформой. Система может быть расширена до управления 5000 кубитами, а после значительной модернизации — до 10 000 кубитов.

Источник изображения: QuantumCTek

За плечами инженеров и учёных QuantumCTek разработка и производство блоков управления для ряда национальных квантовых платформ. В частности, на её первой системе был создан квантовый компьютер Zuchongzhi 3.0 («Дзучунчжи-3»), который, согласно предыдущим заявлениям, не уступает передовой квантовой системе Google Willow со 105 сверхпроводящими кубитами. Представленный 16 июня 2025 года блок управления ez-QREngine 2.0 позволит на порядок расшить соответствующую квантовую архитектуру.

Блок ez-QREngine 2.0 обеспечивает точную генерацию сигналов, сбор данных и управление квантовыми чипами. Утверждается, что это самый компактный и эффективный продукт такого рода в Китае. Также он более чем в два раза дешевле аналогичных блоков иностранного производства, что делает Китай независимым от импорта в сфере квантовых вычислительных платформ.

Для увеличения числа управляемых кубитов разработчик использовал схему прямой радиочастотной выборки и реализовал масштабную тактовую синхронизацию, что позволило снизить уровень шума и повысить согласованность и точность управления.

Новая система была официально представлена нескольким исследовательским и промышленным учреждениям, включая Университет науки и технологий Китая и China Telecom Quantum Group. Исследовательская группа планирует сделать её доступной для ряда организаций, предоставив возможность управления более чем 5000 кубитами. По данным компании, это знаменует собой значительный шаг вперёд в усилиях Китая по разработке крупномасштабных сверхпроводящих квантовых компьютеров с исправлением ошибок.

По словам Ван Чжэхуэя (Wang Zhehui), заместителя директора Исследовательского центра квантовых вычислений в Аньхое, который также возглавляет исследовательскую группу QuantumCTek, система ez-QREngine 2.0 была протестирована на рекордном для страны 504-кубитном сверхпроводящем квантовом компьютере, где её стабильность и точность были полностью подтверждены.

Ван добавил, что команда работает над созданием новой системы управления, предназначенной для 10 000-кубитных систем с поддержкой коррекции ошибок. «Цель состоит в том, чтобы сосредоточиться на ключевых технологиях для обеспечения превосходства квантовых вычислений, коррекции квантовых ошибок и практического применения квантовых систем — что ещё больше укрепит независимую экосистему квантовой индустрии Китая», — отметил он.

Поездка генерального директора Nvidia Дженсена Хуанга (Jensen Huang) в Европу сопровождалась не только выступлением на конференции VivaTech 2025, но и раздачей интервью. В одном из них он провозгласил текущее десятилетие периодом роботов и автономных машин, а на самом мероприятии неожиданно заявил о прогрессе в разработке квантовых компьютеров.

Источник изображения: Nvidia

Стоит напомнить, что ещё в январе текущего года он же утверждал, что практически применимые квантовые компьютеры появятся лишь несколько десятилетий спустя. Минуло от силы пять месяцев, а глава и основатель Nvidia уже считает, что разработка квантовых компьютеров близится к переломному моменту, а сами они быстро становятся более мощными, производительными и стабильными. Уже в ближайшие несколько лет, по словам Хуанга, это позволит привлечь квантовые компьютеры к решению очень интересных задач по всему миру.

Сама Nvidia тоже готовится к этому моменту, адаптируя вычислительные системы на основе Grace Blackwell 200 к работе с алгоритмами, присущими квантовым компьютерам. В сфере ИИ подобные гибридные системы позволят добиться существенного прогресса, по мнению основателя компании. «Как и в случае с законом Мура, я готов рассчитывать на увеличение количества логических кубитов в десять раз каждые пять лет, и увеличение количества логических кубитов в 100 раз каждые десять лет», — сформулировал свой прогноз основатель Nvidia.

На полях конференции VivaTech Дженсен Хуанг также успел пообщаться с представителями CNBC, сделав сделав ещё одно важное заявление: «Текущее десятилетие станет эпохой автономного транспорта, роботов и автономных машин в целом». Не секрет, что сама Nvidia уже многие годы стремится расширить своё присутствие в сфере промышленной автоматизации, робототехники и автомобильной электроники. Это кропотливая работа, приносящая финансовую отдачу лишь в долгосрочной перспективе, однако у компании хватает терпения год за годом создавать новые решения для этих отраслей. Тем более что её облачная вычислительная инфраструктура способна ускорить решение всех перечисленных задач.

Аппаратные и программные компоненты для систем автопилота Nvidia находят всё более широкое применение в транспортных средствах, испытываемых и предлагаемых на рынках США и Китая, а вот Европа в этом отношении пока отстаёт. Великобритания, тем не менее, со следующего года разрешит эксплуатацию беспилотных автомобилей на своих дорогах. Uber и Wayve начнут их испытания в регионе уже весной 2026 года.

Компания IBM обновила план по созданию первого в мире отказоустойчивого квантового компьютера для решения практических задач. Система получила имя Starling (англ. — скворец). Она будет оперировать 200 логическими кубитами. Ввод в строй намечен на 2029 год. Научного барьера для создания этой системы больше нет, теперь предстоит решать обычные инженерные задачи.

Художественное представление квантовой системы IBM «Скворец». Источник изображения: IBM

В настоящий момент готовых аппаратных решений для построения системы Starling нет. Компания IBM будет двигаться к ней поэтапно. Система будет развернута в новом квантовом центре обработки данных IBM в Покипси, штат Нью-Йорк. Ожидается, что она будет выполнять в 20 000 раз больше операций, чем современные квантовые компьютеры. Для моделирования квантовых вычислительных состояний IBM Starling потребовалась бы память, превышающая квиндециллион байт (10⁴⁸), что далеко выходит за пределы возможностей самых мощных суперкомпьютеров в мире.

«IBM прокладывает путь к следующему рубежу в области квантовых вычислений, — заявил Арвинд Кришна (Arvind Krishna), председатель совета директоров и генеральный директор IBM. — Наш опыт в области математики, физики и инженерии открывает путь к созданию крупномасштабного отказоустойчивого квантового компьютера, который решит реальные проблемы и откроет огромные возможности для бизнеса».

Крупномасштабный отказоустойчивый квантовый компьютер с сотнями или тысячами логических кубитов может выполнять от сотен миллионов до миллиардов операций, что ускорит и удешевит процессы в таких областях, как разработка лекарств, поиск материалов, химия и оптимизация. Система «Скворец» сможет выполнять 100 млн квантовых операций с использованием 200 логических кубитов. Это станет основой для следующей системы — «Голубая сойка» (Blue Jay), которая будет способна выполнять 1 млрд квантовых операций с использованием 2000 логических кубитов. «Сойка» появится в 2033 году как развитие «Скворца». Если она станет реальностью, то с традиционным шифрованием, похоже, придётся прощаться навсегда.

Следует напомнить, что для решения проблемы отказоустойчивости на каждый логический кубит, участвующий в вычислениях, должно приходиться 1 млн физических (аппаратных) кубитов. Об этом говорят базовые работы по квантовым вычислениям. За последние несколько лет эти требования были заметно смягчены, но компания IBM пока не готова сообщить, сколько физических кубитов будет задействовано для каждого логического кубита. Тем не менее, это предполагает крайне сложную архитектуру процессоров, чтобы квантовый компьютер в итоге поместился в вычислительный зал, а не занял площадь пары-тройки футбольных полей.

В IBM заявили, что они создали перспективную архитектуру, которая будет способна проводить квантовые расчёты с запутыванием такого огромного числа физических кубитов. В основе архитектуры лежит предложенный компанией код. Без сомнения, успех реализации эффективной отказоустойчивой архитектуры зависит от выбора кода для исправления ошибок, а также от того, как спроектирована и построена система, позволяющая масштабировать этот код.

Само собой, этот код должен быть привязан к архитектуре, что заставит IBM действовать в достаточно жёстких рамках. Основные требования к архитектуре — это устойчивость к сбоям, что позволит подавлять достаточное количество ошибок для успешной работы полезных алгоритмов; способность подготавливать и измерять логические кубиты с помощью вычислений; применимость универсальных инструкций к логическим кубитам; способность декодировать измерения логических кубитов в режиме реального времени и изменять последующие инструкции; модульность для масштабирования до сотен или тысяч логических кубитов для запуска более сложных алгоритмов; а также достаточная эффективность для выполнения значимых алгоритмов с использованием реальных физических ресурсов, таких как энергия и инфраструктура.

В двух новых технических документах компания IBM рассказала, как это будет выглядеть. Во-первых, она представила код qLDPC — квантовые коды с низкой плотностью проверок чётности (по аналогии с классическими LDPC). Этот код значительно сокращает количество физических кубитов, необходимых для исправления ошибок, и уменьшает требуемые накладные расходы примерно на 90 % по сравнению с другими перспективными кодами. Кроме того, в нём описаны ресурсы, необходимые для надёжного запуска крупномасштабных квантовых программ, что доказывает эффективность такой архитектуры по сравнению с другими.

Во второй статье компания рассказала, как эффективно декодировать информацию с физических кубитов, и предложила способ выявления и исправления ошибок в реальном времени с помощью обычных вычислительных ресурсов.

В реальности это будет выглядеть следующим образом. В конце 2025 года IBM представит процессорный модуль Loon (англ. — гагара). Модуль предназначен для тестирования компонентов архитектуры кода qLDPC, включая «C-соединители», которые соединяют кубиты на больших расстояниях внутри одного чипа. Об усложнении архитектуры и связей внутри многослойного чипа даёт представление изображение выше, где сравниваются современный квантовый процессор IBM Heron и Loon.

В 2026 году компания представит первый модульный процессор Kookaburra (кукабара), предназначенный для хранения и обработки закодированной информации. Он объединит квантовую память с логическими операциями и станет базовым строительным блоком для масштабирования отказоустойчивых систем за пределы одного чипа.

В 2027 году IBM выпустит процессорный модуль Cockatoo (какаду). Он объединит два модуля Kookaburra с помощью «L-образных соединений». Эта архитектура позволит связывать квантовые чипы, как узлы в более крупной системе, без необходимости создавать непрактично большие чипы. Система «Скворец» будет построена на объединении модулей «Какаду» в единую платформу. Платформа предполагает криогенное охлаждение базовых компонентов примерно до 4 кельвина (-269,15 °C). Для интеграции с обычными вычислительными средствами связующую электронику также придётся охлаждать до таких температур. Впрочем, система не будет размещаться вся в холодильнике, только вычислительные узлы.

Компания IBM сделала заявку, способную перевернуть мир вычислений. Насколько она сможет воплотить это в жизнь — пока открытый вопрос.

Как стало известно, в минувший четверг испытания прототипа многоразовой ракеты китайской компании Space Epoch сопровождались также лётными испытаниями модулей уникальной квантовой связи без использования ключей шифрования. Это технология QSDC (прямая защищённая квантовая связь), пионерами в разработке которой считаются китайские учёные. Ракета подняла модули на высоту 2,5 км, в ходе чего впервые был установлен канал квантовой связи с Землёй.

Мягкое приводненние ракеты «Юаньсинчжэ-1» с модулем квантовой связи на борту. Источник изображения: Space Epoch

Технология QSDC была впервые представлена около четверти века назад. Наиболее активно её развивают в Китае. Она не предусматривает квантового распределения ключей шифрования, которое применялось до сих пор. Передача ключей шифрования, закодированных в квантовых состояниях фотонов, требует нескольких сеансов связи. Если ключи переданы без признаков перехвата, только тогда передаётся зашифрованная информация, после чего происходит её дешифровка. Прямая защищённая квантовая связь исключает этап передачи ключей и изначально формирует защищённый квантовый канал передачи. Очевидно, что в этом случае защищённая квантовая связь может стать повсеместной.

Испытания модулей QSDC во время запуска ракеты «Юаньсинчжэ-1» (Yuanxingzhe-1) проводились с целью оценки влияния на модули и канал связи внешних факторов в виде спектра излучений и вибраций. По словам учёных, канал связи земля—воздух—ракета (космос) был успешно создан и доказал работоспособность концепции.

«Запуск в основном проверял устойчивость модулей к различным воздействиям окружающей среды, возникающим во время подъёма ракеты, таким как вибрация и радиация, — говорится в сообщении Пекинской академии квантовых информационных наук (BAQIS). — Это испытание стало ключевым шагом в переходе Китая от экспериментальной проверки к созданию полностью интегрированной сети квантовой защищённой прямой связи космос—воздух—земля (QSDC)».

Для защищённой передачи информации по каналу QSDC используются квантовые эффекты (передача запутанных пар фотонов) с добавлением шума для маскирования полезного сигнала. Технология пока развивается. Наилучшим результатом стала передача данных QSDC по обычной оптике на расстояние 300 км между двумя парами абонентов, хотя скорость передачи составила всего 104 бит/ч с достоверностью 85 %.

По мере развития технологии QSDC она может заменить уже используемую технологию шифрования на основе квантового распределения ключей и стать доминирующей в средствах связи в Китае.

Канадский стартап Xanadu, проявивший себя при создании квантовых симуляторов на чипах Nvidia, сообщил о демонстрации первого в мире устойчивого к ошибкам фотонного кубита на чипе. В основе технологии компании лежит относительно новая теория квантовых состояний Готтесмана–Китаева–Прескилла (GKP), которая позволяет создавать кубиты и оперировать ими при комнатной температуре — это открывает путь к масштабированию квантовых платформ.

Четырёхстоечный квантовый компьютер Aurora. Источник изображений: Nature 2025

Ранее в этом году Xanadu представила четырёхстоечный квантовый компьютер Aurora. В новой работе, опубликованной в журнале Nature, специалисты компании показывают отказоустойчивый потенциал фотонного кубита на основе состояний GKP. В конечном итоге все современные проблемы квантовых платформ сводятся к высокой частоте возникновения ошибок вычислений, которые невозможно решить традиционными методами коррекции ошибок.

Квантовые состояния Готтесмана–Китаева–Прескилла хороши тем, что опираются на групповое поведение фотонов (в общем случае — бозонов). За счёт множества фотонов в состоянии суперпозиции шум или ошибочное переключение отдельных фотонов не нарушают общего квантового состояния группы, представляющей отдельный кубит. При этом квантовые состояния кодируются модуляцией луча и могут изменяться простой рекомбинацией нескольких лучей от лазерного источника или с помощью лазера накачки. Особая ценность этой технологии заключается в том, что измерения и контроль производятся обычными инструментами при комнатной температуре.

Прототип квантового чипа

Проблема масштабирования подобных систем до сих пор заключалась в том, что взаимодействие лучей происходило в воздухе или в вакууме. Разработчики из Xanadu смогли реализовать такое взаимодействие — фактически кубит — в кремнии. Точнее, на подложке из нитрида кремния. По их словам, это первое в мире решение на чипе с устойчивым к ошибкам фотонным кубитом. Опубликованная в Nature работа подтверждает достоверность этого утверждения.

Созданная схема далека от идеала и испытывает трудности при подсчёте одиночных фотонов — одного из ключевых элементов платформы Xanadu. Однако она доказывает возможность оперирования состояниями GKP не в открытой среде, а в полностью замкнутой системе чип-оптоволокно. Благодаря этому платформа может быть быстро масштабирована до миллиона кубитов, что компания обещает продемонстрировать не позднее 2029 года.

Перед лицом угрозы, исходящей от огромной вычислительной мощности новых квантовых компьютеров, безопасность связи должна подняться на более высокий уровень, уверены учёные из Китая. Для этого они разработали и развивают технологию QSDC (прямой защищённой квантовой связи), которую считают перспективной для квантовой коммуникации.

Источник изображения: ИИ-генерация Grok 3/3DNews

Учёные утверждают, что технология QSDC (Quantum Secure Direct Communication) безопасна и защищена от угроз со стороны квантовых вычислений, позволяя передавать секретные сообщения непосредственно по квантовому каналу через обычные оптоволоконные линии связи. Технология QSDC получила теоретическое обоснование в начале 2000-х годов, а первый прототип системы был продемонстрирован в 2020 году в Пекинской академии наук.

До появления QSDC в квантовой криптографии широко применялся метод квантового распределения ключей (QKD), который сегодня остаётся единственным практически реализованным способом квантовой криптографии. По обычным каналам связи передаётся только квантовый ключ шифрования; попытка его перехвата указывает на атаку. Пока ключ не передан абоненту без признаков перехвата, он считается скомпрометированным. О факте перехвата становится известно благодаря квантовым эффектам — в частности, из-за разрушения квантовых состояний фотонов (так называемый эффект наблюдателя), которые кодируют ключ.

Существует также возможность квантовой телепортации для безопасной передачи информации, но эта технология ещё более сложна и на базовом уровне пока не позволяет передавать информацию в полном смысле этого слова.

Метод QSDC — это новое слово в безопасной связи на основе квантовой механики и, как утверждают китайские учёные, наиболее прогрессивная технология из всех доступных на сегодняшний день.

Экспериментальная сеть QSDC использует лазеры накачки для передачи пар запутанных фотонов между абонентами. Чем больше лазеров накачки, тем больше абонентов можно обслуживать на одной линии. Фотоны передаются по обычным оптическим каналам связи, что позволяет рассчитывать на широкое внедрение QSDC. Для повышения защищённости передачи в канал намеренно добавляется шум, маскирующий полезный сигнал.

Для сокрытия информации в канале связи QSDC не требуется никакой ключ шифрования, что упрощает организацию защищённых каналов связи, работу с ними и с оборудованием. Защитой служат законы квантовой механики (в частности, квантовая запутанность фотонов) и искусственная зашумлённость канала.

В феврале одна из команд китайских учёных установила рекорд передачи данных по QSDC: 2,38 Кбит/с по стандартному телекоммуникационному оптоволокну длиной 104,8 км. В новой работе, с использованием двух лазеров накачки и дополнительного уровня шума, дальность связи была утроена и достигла 300 км. Скорость передачи оказалась крайне низкой — всего 104 бит/ч с достоверностью 85 %, но технология доказала свою жизнеспособность. Более чувствительные детекторы одиночных фотонов позволят в будущем значительно повысить скорость передачи до практических значений.

Учёные Калифорнийского технологического института (Калтех) разработали новый способ управления отдельными атомами при помощи оптического пинцета из лазерного света и создания состояния гиперзапутанности. Это, возможно, поспособствует появлению новых форм квантовых вычислений и достижений в квантовом моделировании, которые помогут ответить на некоторые фундаментальные вопросы физики.

Источник изображений: caltech.edu

Позволяющий манипулировать отдельными атомами квантовый пинцет учёные Калтеха используют уже несколько десятилетий — он помог им обеспечить квантовую коррекцию и описать метод создания самых точных в мире часов. Одной из сопутствующих проблем в этом процессе традиционно было естественное движение атомов, которое вносит в квантовую систему шум и ошибки. В новом исследовании учёные показали, как это свойство можно обратить во благо.

В последнем проекте они использовали это движение для создания гиперзапутанных групп атомов. Обычная квантовая запутанность предполагает, что две и более частиц синхронизированы, и одно из свойств остаётся у них одинаковым на огромных расстояниях. У атомов в состоянии гиперзапутанности одинаковыми оказываются сразу несколько свойств. В ходе эксперимента физики Калтеха связали как состояния движения, так и электронные состояния (меру уровня внутренней энергии атома) в паре атомов. «Это позволяет нам кодировать больше квантовой информации на атом. Получается больше запутанности с меньшими ресурсами», — прокомментировали достижение авторы проекта.

Чтобы добиться этого состояния гиперзапутанности, учёным пришлось охладить нейтральный атом одного из щелочноземельных металлов при помощи метода, предусматривающего «обнаружение и последующую коррекцию тепловых двигательных возбуждений» — его движение почти полностью остановили. На следующем этапе атомы заставили колебаться как маятники в двух разных направлениях одновременно, создав тем самым состояние суперпозиции, при котором частица принимает противоположные значения свойств сразу. Далее эти колеблющиеся атомы запутали с парами, соответствующими их движению, и перевели в состояние гиперзапутанности, внеся электронные состояния.

Целью эксперимента было определить пределы, в рамках которых можно контролировать атомы. «Мы, по сути, строим ящик с инструментами. Мы знали, как управлять электронами в атоме, а теперь узнали, как управлять внешним движением атома в целом — как будто атом — это игрушка, которую ты освоил полностью», — рассказали учёные. Они сделали вывод, что в гиперзапутанность можно включать новые состояния или свойства, и это может использоваться на практике: в квантовых технологиях, вычислениях, моделировании и точных измерениях.

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.