Учёные из Университета Сиднея (University of Sydney) разработали контроллер спиновых кубитов, который способен работать при температуре в несколько милликельвинов. Это почти рядом с абсолютным нулём (-273,15 °C), когда колебания атомов практически затухают. Разработка позволит расположить контроллер рядом со сверхпроводящими кубитами, которыми он управляет, что обеспечит лёгкость масштабирования квантовых компьютеров до сотен тысяч и миллионов кубитов.

Источник изображения: Fiona Wolf / University of Sydney

Современный квантовый вычислитель на сверхпроводящих кубитах немыслим без множества кабелей, которые выходят из криогенной камеры с кубитами. Кубиты должны охлаждаться до температуры, близкой к абсолютному нулю, чтобы их квантовые состояния не нарушались во время запуска программ — это снижает помехи и влияние шума. Однако контролирующую кубиты электронику нельзя поместить внутрь криогенной камеры — электроника просто откажется работать. Полупроводники контроллера потеряют свои рабочие характеристики. Поэтому приходится использовать множество кабелей. Кроме того, электроника выделяет тепло, что разрушит квантовые состояния кубитов, если она будет находиться рядом с ними.

Запутанное и многочисленное кабельное хозяйство затрудняет масштабирование компьютеров на сверхпроводящих кубитах. Поэтому вопрос переноса управляющей электроники в камеру с кубитами — это вопрос масштабирования. Так, компания Intel смогла создать контроллеры, которые выдерживают охлаждение чуть ниже 4 К, но этого недостаточно. Дальше всех пошла американская компания SEEQC (Superconducting Energy Efficient Quantum Computing), которая в 2023 году сообщила о разработке CMOS-контроллера, способного работать при охлаждении до 20 мК — это уже значимый результат. Учёные из Австралии не уточняют точные температуры, которых они смогли достичь, но по их словам, это несколько милликельвинов.

Разработка оказалась настолько перспективной, что на её основе профессора Университета Сиднея создали сразу три стартапа: Uniii, Emergence Quantum и Diraq. Все они будут коммерциализировать технологию производства сверхтолерантных к охлаждению CMOS-контроллеров для управления сверхпроводящими кубитами. Точнее, речь идёт о спиновых кубитах, которые используют в качестве квантового бита один электрон и управляют его спином.

По сути, это обычные транзисторы, в канале которых используется один-единственный электрон. Таких транзисторов можно изготовить миллиард на каждый квадратный сантиметр — и это можно масштабировать до невообразимых пределов. Но с управлением такого массива кубитов всё упирается в пучки кабелей. Поэтому мы снова возвращаемся к переносу управляющей электроники внутрь криогенной системы. Как утверждают австралийцы, у них теперь есть решение.

Источник изображения: Nature 2025

Более того, в опубликованной в журнале Nature работе исследователи показали, что их CMOS-контроллер не только работает при охлаждении до нескольких милликельвинов, но также выделяет крайне мало тепла — всего 20 нВт/МГц. На примере однокубитовой и двухкбитовой платформы они продемонстрировали, что расположение контроллера на расстоянии 3 мм от квантового процессора не повлияло на кубиты. Время когерентности оставалось примерно одинаковым как с контроллером внутри, который потреблял 10 мкВт, так и с управлением кубитами по кабелям внешним контроллером.

«Это даёт надежду на то, что кубитами действительно можно управлять в больших масштабах, интегрируя сложную электронику в [рабочие] условия криогенных температур. В нашей статье показано, что при тщательном проектировании системы управления хрупкие кубиты вряд ли заметят переключение транзисторов в чипе, расположенном на расстоянии менее миллиметра», — резюмируют авторы работы.

Давно известно, что космические лучи способны вызывать ошибки в работе квантовых компьютеров, исправлять которые кратно сложнее, чем в случае классических вычислительных систем. Учёные из Китая доказали прямую связь между лучами из космоса и сбоями в кубитах, предложив способ их компенсации. Самое интересное, что тот же метод можно использовать для изучения космических лучей и даже для поиска таинственной тёмной материи.

Источник изображения: Nature Communications 2025

Кубиты или квантовые биты отличаются высокой чувствительностью к любым физическим воздействиям — от вибраций до магнитных полей. Прилетающие из космоса частицы и даже гамма-излучение земного происхождения также способны влиять на квантовые состояния кубитов. Для оценки воздействия двух последних явлений учёные из Пекинской академии квантовой информатики в сотрудничестве с коллегами из профильных институтов создали установку, в которой совместили 63-кубитовый сверхпроводящий квантовый процессор и датчики мюонов и гамма-лучей.

Датчики были расположены прямо под процессором, что позволило связать попадание частиц в процессор и состояние кубитов. В ходе опытов выяснилось, что примерно раз в 67 секунд кубиты реагировали на мюоны (продукт распада высокоэнергичных космических частиц в атмосфере Земли) и гораздо чаще — на гамма-излучение (фотоны соответствующих частот). В общей сложности 81,6 % всплесков квазичастиц в кубитах были вызваны гамма-излучением, а оставшиеся 18,4 % — мюонами.

Следует пояснить, что учёные следили за так называемой зарядовой чётностью кубитов (charge-parity states). Частицы извне разрывали куперовские пары электронов в сверхпроводящем материале кубита, превращая отдельные электроны в квазичастицы. Это вело к изменению чётности заряда в кубите. Точнее, в кубитах возникал всплеск появления квазичастиц в ответ на пролетевшие мюоны или гамма-фотоны, который фиксировали приборы. Это позволило найти чёткую связь между попаданием в квантовый процессор энергичной частицы и сбоем кубита.

Обшивка криогенной камеры с процессором и датчиками свинцом снизила влияние гамма-фотонов на сбои кубитов, но мюоны это никак не задержало. По-хорошему квантовые компьютеры придётся прятать глубоко под землю, чтобы добиться отказоустойчивых квантовых вычислений, что не сделает эту технологию массовой.

С другой стороны, обнаруженная связь между сбоями кубитов и частицами из космоса поможет создать алгоритмы для коррекции таких ошибок. В крайнем случае, датчики мюонов могут просто отключать сбойные участки квантового процессора. Это усложнит квантовые системы, но позволит работать, не зарываясь под землю.

Схема эксперимента

Исследование подняло важный вопрос, который ставит под сомнение перспективы отказоустойчивых квантовых компьютеров на гипотетических фермионах Майораны. Тем более, что в компании Microsoft утверждают, что у них есть прототип процессора на этих частицах. Вернее, процессор Majorana 1 оперирует квазичастицами, имитирующими поведение фермионов Майораны. Китайские учёные показали связь между космическими частицами и нестабильностью квазичастиц, что требует более пристального внимания к процессору Microsoft и, в целом, к перспективам фермионов Майораны в качестве основы для кубитов. А ведь это главные кандидаты на отказоустойчивые квантовые компьютеры!

Важным следствием установки связи между космическими частицами и кубитами стало то, что созданные китайцами установки могут стать детекторами неизвестных физике частиц, включая поиск тёмной материи. Но это будет уже другая история.

Издаваемый Национальной академией наук США (NAS) престижный рецензируемый журнал Proceedings of the National Academy of Sciences присудил ежегодно учреждаемую премию Cozzarelli Award группе математиков во главе с исследователем из США Кеном Оно (Ken Ono) из Университета Вирджинии. Кен с коллегами нашли прямую связь между простыми числами — основой RSA-ключей — и уравнениями 1800-летней давности, что стало прорывом в области защиты данных.

Источник изображения: ИИ-генерация Grok 3/3DNews

Открытие поможет защитить данные в эпоху квантовых компьютеров, которые скоро начнут угрожать RSA-шифрованию. Сегодня даже самые мощные классические суперкомпьютеры не способны за разумное время факторизовать достаточно большие целые числа — разложить их на простые множители для вычисления ключей шифрования. Потенциально с такой задачей начнут справляться только квантовые компьютеры за счёт явления суперпозиции, когда информация в каждом кубите будет представлена одновременно множеством состояний от 0 до 1, а не одним или другим фиксированным значением.

Таким образом, учёным надо научиться находить всё большие простые числа (сейчас самое большое найденное простое число состоит из 41 млн цифр), а также искать иные подходы для определения таковых. Проделанная коллективом Кена Оно работа из таких — они нашли неизвестную ранее взаимосвязь между так называемыми диофантовыми уравнениями и простыми числами.

Открытие диофантовых уравнений приписывают математику III века Диофанту Александрийскому. Они могут быть невероятно сложными, но если полученный ответ окажется верным, это означает, что число будет простым. По сути, это новый способ исследования простых чисел, который никогда ранее не использовался.

«Простые числа, составляющие основу мультипликативной теории чисел, являются решениями бесконечно многих специальных “диофантовых уравнений” в хорошо изученных статистических разбиениях, — пишут авторы. — Другими словами, целочисленные разбиения позволяют находить простые числа бесконечно многими естественными способами».

Проделанная учёными работа могла быть сделана 20, 30 и 80 лет назад, когда стала понятна важность шифрования данных, и в любом случае она бы произвела фурор среди специалистов. Удивительно, до сих пор её никто не делал, подчёркивают авторы исследования и добавляют, что теперь открывается возможность подключить к анализу простых чисел ряд статистических методов. Тем самым RSA-шифрование может получить второе дыхание и ещё окажет сопротивление квантовым компьютерам через пять, десять или больше лет.

В Японии запущен крупнейший в мире квантовый компьютер на сверхпроводящих кубитах. Систему разработали и изготовили компания Fujitsu и институт RIKEN. Над разработкой квантовых вычислителей они работают вместе с 2012 года. В марте 2023 года партнёры представили первый в Японии национальный 64-кубитный квантовый компьютер и обещали увеличить число кубитов до 100 в 2025 году, но превзошли сами себя и собрали систему на 256 кубитах — крупнейшую в мире.

Источник изображения: Roselyne Min/Euronews

Японские инженеры смогли достичь рекордных показателей благодаря новой архитектуре сверхпроводящих квантовых процессоров. Во-первых, они сделали её микрокластерной, организовав кубиты в ячейки по четыре штуки в каждой. Во-вторых, ячейки выстроили не только в ряд, но также в виде многоэтажной или трёхмерной структуры, не забыв при этом решить проблемы теплоотвода.

Возросшая плотность размещения кубитов позволила поместить 256-кубитный процессор в корпус прежнего 64-кубитного. Тем самым появился задел для дальнейшего масштабирования квантовых сверхпроводящих процессоров, что специалистами в этой сфере расценивается как наиболее сложная задача при создании имеющего практическую ценность универсального и устойчивого к ошибкам квантового компьютера.

Нелишне напомнить, что большинство научных работ доказывают, что имеющий практическую ценность отказоустойчивый квантовый компьютер может быть создан, начиная с платформы с миллионом физических кубитов. Японские исследователи считают, что новая кластерная и трёхмерная архитектура доказывает возможность приблизиться к заветному рубежу в миллион кубитов в пределах разумных объёмов помещений под квантовые системы.

Отдельно подчёркивается, что 256-кубитный компьютер Fujitsu и RIKEN достиг той же высочайшей плотности размещения сигнальных и управляющих кабелей, необходимых для работы с кубитами — чтения, программирования и коррекции ошибок, что и квантовые системы Google и IBM. Типичный квантовый компьютер на сверхпроводящих кубитах выглядит как люстра с массой входных и выходных кабелей с высокочастотными разъёмами.

Это всё потому, что для работы со сверхпроводящими кубитами для неразрушающего чтения требуются микроволновые (радиочастотные) сигналы. Добавим к этому тщательное экранирование каждого сигнального провода и получаем жгуты кабелей, затрудняющие масштабирование. Выходом может стать перенос контролирующей электроники внутрь криогенной камеры к кубитам, но такое охлаждение полупроводники пока не выдерживают. Это всё в будущем. А пока создаются гибридные платформы, в которых обычные суперкомпьютеры управляют кубитами. Европа, кстати, как отмечает источник, отстаёт от США и Японии в вопросе высокоплотного монтажа интерфейсов для сверхпроводящих квантовых вычислителей.

Добавим, 256-кубитный компьютер Fujitsu и RIKEN доступен клиентам через облако во всём мире. Впрочем, доступ, вероятно, ограничен узким кругом клиентов, имена которых держатся в тайне. В любом случае, пока идёт проверка идей и поиск задач, которые квантовые вычислители могут решать на современном уровне своего развития. В новом году Fujitsu и RIKEN обещают представить 1000-кубитовую платформу, что станет новым шагом вперёд к мечте — к универсальному отказоустойчивому квантовому вычислителю, в ряде задач в миллиарды раз превосходящему классические компьютеры.

Европейские СМИ сообщают, что в Германии учёные протестировали масштабную квантовую сеть для будущего квантового Интернета. По стандартному волоконнооптическому кабелю и при обычной комнатной температуре были переданы квантовые состояния между Франкфуртом и Келем, что составило 254 км обычной оптической магистрали или в два раза больше, чем было испытано в Европе ранее.

Источник изображения: Denny Müller / unsplash.com

Поставленный эксперимент стал прорывом для сверхбезопасной связи на больших расстояниях. Традиционному шифрованию начали угрожать квантовые компьютеры. Рано или поздно квантовые платформы смогут взламывать обычные ключи, поэтому организация защищённой квантовыми законами связи становится приоритетной задачей. При этом крайне важно сохранить действующую инфраструктуру линий связи. В конечном итоге — это вопрос колоссальной экономии средств, которых никогда не бывает много.

Гарантированно защитить данные от взлома может технология квантового распределения ключей (QKD). Ключи передаются в виде квантовых состояний одиночных фотонов, перехват которых разрушает квантовые состояния просто по законам квантовой механики. Тем самым сразу становится известно о компрометации ключа, и само зашифрованное сообщение уже не будет передано — это лучшая гарантия от взлома.

Квантовых повторителей для усиления или восстановления квантовых состояний пока не существует. Поэтому на определённых и довольно небольших отрезках оптической магистрали создаются доверенные узлы, которые заново собирают квантовые ключи. Сегодня такие узлы приходится создавать через десятки километров, что дорого и малоэффективно для массового применения. Например, на развёрнутой четыре года назад в России квантовой линии связи между Москвой и Санкт-Петербургом на дальности 700 км используются 19 доверенных узлов.

В ходе нового эксперимента в Германии квантовые состояния одиночных фотонов передали на 254 км. Провели эксперимент сотрудники европейского подразделения компании Toshiba.

«Все предыдущие внедрения квантовой связи по оптоволокну были ограничены гораздо меньшими расстояниями, что составляет примерно половину того, чего мы достигли. И это связано с фундаментальными ограничениями предыдущей технологии, — в интервью Euronews Next сказал Мирко Питталуга (Mirko Pittaluga), бывший старший научный сотрудник Toshiba Europe. — Наш эксперимент является первой реализацией в реальном мире особого мощного класса протоколов квантовой коммуникации, который называется когерентной квантовой коммуникацией».

«Но благодаря нашему подходу мы преодолели все эти трудности, используя масштабируемую и простую технологию, которая позволила нам внедрить ультрасовременный протокол квантовой связи, который называется twin field quantum key distribution (TF-QKD), что на самом деле является секретом того, что мы сделали», — добавил другой участник эксперимента.

Протокол TF-QKD, в основе которого лежит передача двух опорных частот в оптическую линию связи, действительно один из новейших. Вот только учёные умолчали, что Toshiba ещё в 2021 году с помощью этого протокола организовала передачу квантовых состояний на дальность 600 км, используя виртуальный повторитель сигнала. Более того, ещё раньше китайские учёные с помощью протокола TF-QKD передали данные на расстояние 500 км без повторителей.

История умалчивает об условиях передачи данных в двух последних случаях. Как бы там ни было, возможность передавать квантовые ключи на сотни километров без повторителей — это уже факт, хотя до массового внедрения этой технологии пока далеко.

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.