Учёные из Школы молекулярной инженерии им. Прицкера Чикагского университета (PME) предложили опутать США сетью особых каналов связи, ориентированных на передачу квантовых состояний кубитов. Это позволит создать квантовый интернет и реализовать распределённые квантовые вычисления, что умножит мощь и без того перспективных квантовых вычислителей. В этом поможет опыт гравитационно-волновых обсерваторий, ведь кубиты придётся передавать в вакууме.

Источник изображения: University of Chicago

Исследование финансируется военными и властями США. Квантовый интернет — это не только абсолютно безопасная связь, которая не поддаётся незаметному взлому, но также экспоненциальный рост вычислений. Распределённые квантовые вычисления могут на какое-то время решить проблему с масштабированием квантовых платформ. Пока в составе каждого вычислителя физически большие кубиты и их мало, перераспределение вычислительной нагрузки поможет наращивать производительность относительно простым способом.

Учёные уже умеют и даже внедряют в практику обмен квантовыми состояниями на больших расстояниях с помощью кодирования фотонов. Благодаря этому квантовые состояния можно передавать по обычному оптоволокну и с помощью лазера по воздуху и в вакууме, например, через спутники. Однако скорость передачи при этом очень маленькая, как и велики затухания в оптоволокне.

Учёные из Чикагского университета опирались на опыт многолетней работы гравитационно-волновых обсерваторий, датчики которых — это трёхкилометровые тоннели с высоким вакуумом (10^-11 атмосфер). Благодаря зеркалам фотоны в тоннелях пролетают колоссальные расстояния, отзываясь на гравитационные волны. Таким же образом можно передавать на сотни и тысячи километров квантовую информацию, закодированную в состояниях фотонов. А чтобы снизить вероятность их рассеивания, необходимо предусмотреть систему фокусирования на всём протяжении маршрута.

В результате работы исследователи теоретически обосновали возможность охватить США сетью квантового интернета из вакуумных труб диаметром 20 см с фокусирующими линзами через каждые несколько километров. Расчёты показывают, что всё будет работать при среднем уровне вакуума (10^-4 атмосфер). На следующем этапе учёные проведут экономическое обоснование проекта. Но даже сейчас они подчёркивают, что ради скоростной квантовой сети не жалко будет никаких денег.

Швейцарские учёные разработали инновационную двумерную систему охлаждения для квантовых компьютеров, способную достигать температур до 100 милликельвинов, преобразуя тепло в электрическое напряжение. Разработка может стать прорывом в области квантовых вычислений.

Источник изображения: LANES EPFL

Исследовательская группа LANES из Швейцарской федеральной политехнической школы Лозанны (EFPL), возглавляемая Андрашем Кишем (Andras Kis), создала устройство, которое по эффективности соответствует современным технологиям охлаждения, но работает при слабых магнитных полях и сверхнизких температурах, необходимых для квантовых систем. Новая технология позволяет достигать сверхнизких температур путём преобразования тепла в электрическое напряжение, что особенно важно для вычислений, так как квантовые биты (кубиты) чрезвычайно чувствительны к теплу и требуют охлаждения до температур ниже 1 кельвина, пишет ресурс Tom's Hardware.

Источник изображения: LANES EPFL

«В настоящее время в квантовых вычислительных системах нет механизма, предотвращающего нагрев кубитов от работающей электроники», — пояснил аспирант Габриэле Паскуале (Gabriele Pasquale). Однако эта технология построена на основе двумерного материала толщиной всего в несколько атомов, и в сочетании с графеном позволяет достичь высокой производительности. Устройство работает на основе эффекта Нернста — термомагнитного явления, при котором в проводнике генерируется электрическое поле под воздействием магнитного поля и разницы температур.

Важно отметить, что новая система охлаждения может быть легко интегрирована в существующие квантовые компьютеры, так как изготовлена из доступных электронных компонентов. «Данные результаты представляют собой значительный прогресс в нанотехнологиях и открывают перспективы для разработки передовых систем охлаждения, необходимых для квантовых вычислений», — подчеркнул Паскуале.

Несмотря на достижение, исследователи отмечают, что данная технология предназначена исключительно для квантовых вычислений и не может быть использована для охлаждения обычных компьютеров.

Одной из проблем масштабирования квантовых компьютеров остаются слишком большие размеры кубитов — элементов, сохраняющих и отдающих квантовые состояния в процессе вычислений. Уменьшить размер кубита мешают множество факторов, среди которых значительное место занимают методы измерения и управления их квантовыми состояниями с помощью микроволн. Это очень неизбирательный метод. Им невозможно «посветить» на электрон или атом, не затронув соседние.

Синяя — подложка, жёлтые — молекулы пентацена. Слева — игла микроскопа над подложкой. Источник изображения: ETH Zürich

В то же время учёным хорошо известно явление, при котором на электроны можно действовать избирательно. Это спин-поляризованный ток, который возникает при правильном приложении электромагнитного поля к источнику электронов. В электромагнитном поле спины электронов принимают одинаковую ориентацию и могут точечно воздействовать на тот же кубит. Именно на этом принципе работает магниторезистивная память с переносом спина (STT-MRAM), которая уже есть в продаже. Учёные из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) решили выяснить, можно ли этим методом управлять квантовыми состояниями атомов или молекул.

Исследователи создали «идеальную», как они утверждают, модель атомов и электронов в свободном состоянии. Для этого они поместили молекулы пентацена (ароматического углеводорода) на серебряную подложку, а ещё ранее на серебряную подложку был нанесён слой оксида магния. Затем на кончике иглы сканирующего туннельного микроскопа были собраны несколько атомов железа — это соорудило там своеобразный магнит, который ориентировал в одном направлении спины слетающих с иглы электронов и, фактически, создавал спин поляризованный ток.

Как выяснилось в ходе экспериментов, возникающий на туннельном эффекте спин-поляризованный ток мог избирательно воздействовать на отдельные молекулы и помогал считывать характеристики облака их электронов. Кроме того, спин поляризованный ток изменял спин молекулы, доказывая, что этот процесс поддаётся контролю и измерению. С помощью радиочастотного излучения (электромагнитного поля) подобного разрешения получить невозможно, что обещает найти применение при разработке масштабируемых квантовых компьютеров.

Учёные из Технологического университета Сиднея разработали и готовы продавать через компанию Eigensystems крошечные персональные эмуляторы отказоустойчивых 30-кубитовых квантовых компьютеров Quokka («Квокка»). Новинка «демократизирует» квантовые вычисления, создавая основу для появления широкого круга специалистов среди нового поколения учёных, инженеров, программистов, преподавателей и любителей.

Источник изображений: Andy Roberts

Квокка — одно из самых симпатичных сумчатых Австралии — изображён на верхней крышке корпуса эмулятора квантового компьютера, а первые две буквы названия этих животных намекают на кубиты. Платформу разработали два специалиста Центра квантового программного обеспечения и информации (QSI) Технологического университета Сиднея — Саймон Девитт (Simon Devitt) и Крис Ферри (Chris Ferrie). Решение задумано как обширная образовательная экосфера с уроками, проектами и сообществом.

«Традиционное STEM-образование основано на педагогике 100-летней давности в мире, управляемом обработкой информации. Слово "квант" не фигурирует ни в национальной, ни в какой-либо другой государственной учебной программе, — поясняют цель своей разработки учёные. — Квантовая грамотность определит передний край инноваций XXI века, но до сих пор не было ясного пути в сферу квантовых вычислений для студентов, преподавателей и любителей, чтобы исследовать эту область и открывать возможности».

Устройство Quokka представляет собой доступный по цене удобный эмулятор персонального квантового компьютера, который может запускать языки программирования, написанные для квантовых вычислений, и возвращать результаты. Компания Eigensystems начала принимать заявки на устройство, поставки которого стартуют в июле. Quokka эмулирует то, чего пока не существует — отказоустойчивый квантовый компьютер ёмкостью 30 кубит. Но он позволит уже сейчас изучать приложения квантовых вычислений, обеспечивая практику и опыт, используя самые передовые технологии.

«Это позволяет вам экспериментировать и узнавать о квантовых алгоритмах и программах, взаимодействуя с ним точно так же, как вам пришлось бы взаимодействовать с будущим отказоустойчивым квантовым компьютером», — говорят разработчики.

Базовый уровень платформы включает в себя три программных интерфейса. На продвинутом уровне представлена обширная библиотека материалов с доступом к урокам, руководствам, кураторским проектам сообщества и возможностью делиться проектами и совместно их создавать.

На уровне Quokka Stories — сборнике уроков, основанных на повествовании — происходит ориентация на образовательную программу, переосмысливающую науку, технологию, инженерное дело и математику через призму обработки информации. Поскольку люди пока плохо представляют, как и зачем использовать квантовые платформы, возможность ознакомиться с ними хотя бы на уровне простейших эмуляторов — это правильное решение, на которое стоило бы обратить внимание образовательным учреждениям.

Учёные из научно-образовательного центра «Функциональные микро/наносистемы», созданного на базе МГТУ им. Н.Э. Баумана и Всероссийского научно-исследовательского института автоматики (ВНИИА) им. Н.Л. Духова, запустили сверхпроводниковый квантовый процессор, показавший самую высокую точность операций среди отечественных устройств. Его характеристики сопоставимы с достижениями ведущих мировых разработчиков квантовой техники.

Источник изображений: пресс-служба МГТУ им. Н. Э. Баумана

Согласно имеющимся данным, точность выполнения на новом устройстве простых однокубитных алгоритмов составила 99,76 %, а более сложных двухкубитных — 99,11 %. Достигнутые результаты являются рекордными для российской науки и вполне сопоставимы с лучшими достижениями зарубежных разработчиков. Например, самый современный квантовый процессор IBM Torino 133 с архитектурой Heron R1 показывает среднюю точность двухкубитных операций 99,14 %, что незначительно лучше результата российского аналога.

Напомним, квантовые процессоры представляют собой устройства, использующие принципы квантовой физики для обработки информации. Вычислительные операции реализуются с помощью частиц в состоянии суперпозиции, т.е. они могут находиться в нескольких местах или проявлять несколько свойств одновременно. Это даёт возможность осуществлять проведение множества параллельных операций, что повышает скорость расчётов и снижает задействованные для этого вычислительные мощности. При этом результаты квантовых вычислений носят вероятностный характер.

Новый квантовый процессор называется Snowdrop 4Q. Система состоит из чипа на основе четырёх кубитов, модулей считывания их сигналов с параметрическими криоусилителями и блоков управляющей электроники. Полученные характеристики квантового процессора позволили впервые в РФ реализовать серию сложных алгоритмов, состоящих из сотни квантовых логических операций. Помимо прочего, была смоделирована намагниченность материала (модель Изинга), решено уравнение теплопроводности и реализован квантовый алгоритм для решения систем уравнений.

«Лучшее испытание для процессора — это запустить на нём сложный алгоритм с использованием всех имеющихся кубитов, что мы и сделали. Непосредственно калибровка и полная характеризация квантовой системы — сложный процесс, и над ним мы работали последние три месяца. Точности логических операций, которых достиг наш чип, позволили провести целую серию операций, направленных на решение практических задач ФГУП ВНИИА», — рассказал ведущий разработчик квантовых процессоров Научно-образовательного центра Никита Смирнов.

Он также сообщил, что в рамках проведённых экспериментов учёные опробовали свой метод смягчения ошибок, в основе которого нейросетевое обучение. Для оценки результатов, полученных с помощью Snowdrop 4Q, исследователи запустили те же алгоритмы на 127-кубитном чипе IBM Eagle в облачном доступе. В итоге точности отечественного процессора подтвердились на более мощном американском аналоге.

Результат выполнения алгоритма HHL

Научный руководитель ВНИИА Александр Андрияш рассказал, что команда исследователей разрабатывает и реализует ряд практически значимых квантовых алгоритмов, которые позволят ускорить процесс решения важных задач для физического моделирования. «Мы достигли знакового результата, к которому шли почти три года — от разработки эффективного квантового алгоритма до его запуска на квантовом «железе». В итоге мы убедились в том, что наш подход работает и, более того, прокладывает путь к созданию практически полезного вычислителя. В планах — дальнейшее улучшение уже серийных технологий изготовления квантовых устройств и увеличение количества кубитов с повышением точности квантовых операций», — рассказал Александр Андрияш.

Результаты расчетов динамики цепочки Изинга на процессорах Snowdrop 4Q и IBM

Учёный уточнил, что представленная разработка представляет собой сопроцессор для классического компьютера. С его помощью удастся решить наиболее трудные для традиционной микроэлектроники подзадачи. Также известно, что чипы изготовлены по воспроизводимой технологии Научно-образовательного центра, что позволит развивать мощности уже созданного вычислительного комплекса, а также сделает возможным серийное изготовление новых квантовых компьютеров, ориентированных на конкретные технические проекты.

Результаты характеризации квантового процессора Snowdrop 4Q

«Результаты, полученные учёными, по сути, означают, что в нашей стране создан независимый, работоспособный, пусть и небольшой, квантовый компьютер. Это даёт возможность отечественным науке и промышленности решать задачи, используя квантовые вычисления, на собственной технологической базе, что позволяет прогрессировать вне зависимости от международной обстановки», — считает профессор кафедры атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники МГУ Николай Кленов. По его мнению, уже в скором времени квантовые процессоры станут обязательной частью инфраструктуры любого суперкомпьютера. Такой подход позволит в значительной степени расширить функциональность вычислительных комплексов и обеспечить прорывы в материаловедении, ядерных технологиях, высокоточной микроэлектронике и др.

Даже большинству специалистов квантовые вычислители представляются запредельно сложными устройствами, к которым можно подходить лишь с высокой академической степенью за плечами. Компания D-Wave спешит разрушить это впечатление, по крайней мере, по отношению к своим платформам. Только что представленная гибридная квантово-классическая система требует лишь корректной постановки задачи. С этим справится даже неспециалист, что даст быструю практическую выгоду.

1200-кубитовый процессор поколения Advantage 2. Источник изображения: D-Wave

Как пояснил на конференции Qubits 2024 вице-президент D-Wave по квантовым технологиям, Мюррей Том (Murray Thom), о революции в квантовых вычислениях и сложном и длинном пути к ней говорит тот, кто только в начале этого пути. Компания D-Wave давно преодолела этот этап, добравшись до стадии практического применения квантовых вычислений.

«Мы сосредоточены на том, чтобы упростить людям создание приложений с помощью этой технологии, — пояснил Том. — И это основное внимание в случае нового вычислителя для нелинейного программирования, который мы выпускаем. Таким образом, он представляет более мощный способ получить решение проблемы».

По словам управленца D-Wave, новая система с возможностью использовать до 2 млн переменных и констант на порядок производительнее других квантовых платформ компании. В основе гибридного компьютера лежит далеко не новая архитектура D-Wave — платформа Advantage. Первые системы Advantage компания начала поставлять заказчикам в сентябре 2020 года. В максимальной конфигурации компьютер Advantage содержал 5000 кубитов в кластерах по 15 кубитов в каждом (запутанность обеспечивалась лишь внутри кластеров).

Новая система Advantage 2 пока добралась лишь до 1200 кубитов, но теперь каждый кластер содержит по 20 кубитов (связей) и это пока другая и всё ещё не ясная до конца история. Поэтому компания довела до коммерческой зрелости предыдущую платформу и предоставила к ней облачный доступ D-Wave Leap quantum cloud. Если клиент затрудняется поставить задачу, специалисты компании всегда могут перевести его требования в понятные инструкции для решения задачи квантовой системой.

Например, ещё в «ковидные» времена D-Wave помогла компании Pattison Food Group организовать оптимальную индивидуальную доставку продуктов на дом, сэкономив менеджерам 80 % времени на составление расписания курьерам. Платформы D-Wave используют принцип так называемого квантового отжига, что идеально для оптимизации множества задач. Теперь эта услуга будет доступна в облаке с наименьшими затратами для клиентов, если сравнивать предоставление аналогичных услуг компаниями с суперкомпьютерами.

Группа исследователей под руководством Филиппа Вальтера (Philip Walther) из Венского университета провела уникальный эксперимент, в ходе которого было измерено влияние вращения Земли на квантово запутанные фотоны. Классический инструмент для доказательства правоты общей теории относительности впервые был использован для оценки явления квантовой механики, что открывает путь к поиску связи между материальным и квантовым миром.

Источник изображений: University of Vienna

Посвящённая исследованию работа опубликована в журнале Science Advances. Учёные создали самый большой в мире интерферометр Саньяка, известный уже около ста лет. Этот прибор или датчик даёт возможность находить доказательства для ряда положений общей теории относительности, в частности, являясь наиболее чувствительным детектором вращения, например, нашей планеты. Исследователи из Вены собрали свою версию прибора на 1,4-м алюминиевой раме (катушке), намотав на неё две обмотки оптического кабеля по 2 км каждая.

Изоляция обмотки была достаточно надёжной, чтобы на несколько часов снизить уровень квантовых шумов ниже заданной границы чувствительности. Это позволило уверенно детектировать достаточное количество запутанных фотонов, чтобы потом использовать их для эксперимента.

Одна обмотка, пояснили учёные, не позволяла установить точку отсчёта для измерений — вытащить из данных измерений сигнал о постоянном вращении Земли. Необходимо было «обмануть свет, чтобы заставить его подумать, будто Вселенная неподвижна». Этот эффект достигался за счёт переключения между обмотками.

«Суть вопроса, — объясняет ведущий автор Раффаэле Сильвестри (Raffaele Silvestri), — заключалась в установлении точки отсчета для наших измерений, где свет остаётся незатронутым эффектом вращения Земли. Учитывая нашу неспособность остановить вращение Земли, мы придумали обходной путь: разделили оптическое волокно на две катушки одинаковой длины и соединили их с помощью оптического переключателя». Используя переключатель, исследователи смогли эффективно подавлять сигнал вращения по своему желанию, что также позволило им повысить стабильность работы прибора. «Мы, по сути, обманули свет, заставив его думать, что он находится в невращающейся Вселенной», — сказал Сильвестри.

Идея эксперимента в том, что запутанные фотоны при измерении дают больше информации, чем обычные. Это может помочь раздвинуть границы чувствительности прибора за рамки классической физики в область квантовой механики.

Экспериментальная установка

В обычном интерферометре Саньяка два фотона двигались бы навстречу друг другу и вернулись бы в точку старта с некоторой разницей во времени, в зависимости от скорости вращения системы. В случае запуска по маршруту запутанных фотонов ситуация сложнее — оба фотона одновременно движутся навстречу друг другу как одна частица. При этом задержка по времени увеличивается в два раза, поясняют учёные, и это в два раза повышает разрешение датчика — достигается так называемое сверхразрешение.

Это подтвердило взаимодействие между вращающимися системами отсчёта и квантовой запутанностью, теоретическое описание чего можно найти как в специальной теории относительности Эйнштейна, так и в квантовой механике. Сделано это с тысячекратным повышением точности по сравнению с предыдущими экспериментами.

«Это является важной вехой, поскольку спустя столетие после первого наблюдения вращения Земли с помощью света запутывание отдельных квантов света, наконец, вошло в те же режимы чувствительности, — пояснил Хаокун Ю (Haocun Yu), который работал над этим экспериментом в качестве научного сотрудника Института Марии Кюри. — Я верю, что наши результаты и методология заложат основу для дальнейшего улучшения чувствительности датчиков, основанных на оценке вращения запутанностью. Это может открыть путь для будущих экспериментов по проверке поведения квантовой запутанности с учётом кривизны пространства-времени».

Немало молодых компаний ищут себя в сфере квантовых вычислений, ведь здесь есть потенциал быстро выбиться в лидеры молодой отрасли. Среди новичков выделяется компания Quantinuum, привлекшая внимание таких гигантов, как JPMorgan Chase и Microsoft. Новая работа исследователей Quantinuum показала значительный прогресс в деле безошибочных квантовых вычислений на уже имеющемся оборудовании. Практическое применение квантовых систем приближается.

Процессор Quantinuum H2. Источник изображения: Quantinuum

Компания Quantinuum разрабатывает вычислительные квантовые платформы на ловушках ионов. Ранее она вместе с Microsoft на системе с процессором Quantinuum H2 показала существенное снижение ошибок кубитов при выполнении операций на 30-кубитовой платформе. Подобное приближает появление практически ценных квантовых вычислителей с относительно небольшим количеством кубитов, для создания которых не придётся строить отдельные помещения и комплексы зданий — хватит небольшой комнаты. Новая работа на улучшенном 56-кубитовом процессоре H2-1 ещё больше укрепляет уверенность в том, что безошибочные квантовые вычислители не за горами.

Используя тот же метод расчёта, с помощью которого компания Google в 2019 году доказала квантовое превосходство 53-кубитовой фирменной системы Sycamore над классическими компьютерами, Quantinuum вместе с командой из JPMorgan Chase смогла на два порядка улучшить результаты Google. Более того, платформа Quantinuum позволила проделать расчеты со снижением потребления энергии в 30 тыс. раз по сравнению с вычислениями на обычных суперкомпьютерах. Это установило новую планку производительности квантовых вычислителей, как пояснили в Quantinuum, которую теперь предстоит преодолеть конкурентам.

В своё время компания Google подверглась немалой критике со стороны IBM, с чьей классической системой они сравнили возможности Sycamore, а также со стороны многочисленных групп учёных, доказавших неоправданность подобных сравнений. Как видим, компании Quantinuum это не помешало, чтобы снова показать превосходство квантовых платформ в определённых задачах.

Поясним, речь идёт о работе алгоритмов по расчётам в области выборки случайных цепей (random circuit sampling). Берётся случайная цепь квантовых вентилей, которая генерирует случайные результаты, а алгоритмы должны вычислить распределение результатов и предсказать их отклонение от нормального. Единственная на сегодня вменяемая цель всего этого — создание истинно случайных значений (генератор случайных чисел). Но получается слишком дорого. Зато с позиции Google и других, методика расчёта RCS — это лучшая основа для доказательства квантового превосходства.

Международный коллектив физиков из России, Германии и ОАЭ показал, что одна из основных теорий для расчётов в области квантовой термодинамики — модель Швингера — обладает фрактальными свойствами, которые могут быть использованы для ускорения квантовых расчётов. Используя данное свойство, с помощью квантовых компьютеров можно ускорить решение задач в области логистики, машинного обучения и криптографии.

Выпущенный в России 8-кубитный процессор. Источник изображения: Университета МИСИС

«Модель Швингера была разработана в 1950-х годах. Несмотря на то, что это одна из базовых и хорошо изученных теорий, она обладает рядом нетривиальных особенностей, присущих более сложным теориям. Аналитически она разрешима в частных случаях безмассовых или невзаимодействующих частиц, но в общем случае решение неизвестно, поэтому модель представляет собой сложную задачу как для аналитических, так и для численных методов», — поясняется в пресс-релизе НИТУ МИСиС.

Фрактальными свойствами обладают и другие модели КЭД (квантовой электродинамики), например, модели Гейзенберга и Изинга описывающие магнитные свойства материалов. В таких случаях появляется возможность упростить описание моделей и ускорить расчёты, поскольку количество задействованных для вычислений компонентов можно сократить благодаря их фрактальности (самоподобию). И комплексная квантовая система будет уже не такой сложной.

В новой работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, учёные впервые показали, что модель Швингера также обладает фрактальными свойствами и это позволяет применить для расчётов так называемый анзац-метод, когда для расчёта системы с большим количеством объектов за основу берётся описание с меньшим числом частиц. Доказательство приведено для модели Швингера.

«Ранее у модели Швингера в основном состоянии самоподобная структура не наблюдалась. Отталкиваясь от точного решения для системы небольшого размера, мы строим описание для системы с большим числом частиц с помощью фрактального анзац-подхода. Наш метод очень эффективен. Мы полагаем, что его можно применить и для более широкого класса моделей», — сказал соавтор исследования Алексей Федоров, директор Института квантовой физики НИТУ МИСИС, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра.

Поскольку проделанная работа затрагивает одномерную систему, задачей будущих исследований должен стать выход на двухмерные и трёхмерные системы. Это позволит перейти к созданию более совершенных квантовых процессоров на базе многоуровневых кубитов, опыт в разработке которых у российских учёных уже есть.

Исследователи из Бристольского университета в Великобритании разработали самый маленький в мире квантовый детектор света на кремниевом чипе. Детектор тоньше человеческого волоса может помочь расширить масштабы реализации квантовых технологий вплоть до создания мощных вычислительных платформ.

Источник изображений: University of Bristol

В своём исследовании учёные решали три две связанные проблемы: уменьшение размеров детектора, снижение влияния квантового шума (квантовой неопределённости) и адаптация платформы к современному массовому производству чипов. Чем меньше датчик, тем он быстрее работает, но одновременно с этим растёт влияние электронного шума, которое снижает чувствительность. Также нужно думать о возможных техпроцессах выпуска датчиков, чтобы это было экономически выгодно и доступно.

Свою разработку британские учёные сравнивают с изобретением транзисторов в 50-е годы прошлого века, что стремительно ускорило развитие электроники и вычислительной техники. Миниатюрный по сравнению с электронными лампами полупроводниковый элемент привнёс революцию в отрасль и изменил в ней буквально всё. Новый детектор квантового света может оказать ту же услугу оптическим квантовым системам, считают разработчики.

Новый встроенный в кремниевый чип детектор квантового света имеет размеры 80 × 220 мкм (сам светочувствительный элемент ещё меньше). Он работает в 10 раз быстрее аналогов, утверждают учёные и имеет высокий порог чувствительности к квантовому шуму. Это важный момент не только для квантовых платформ, но также для других применений подобных детекторов. Например, они используются в гравитационно-волновых обсерваториях, где позволяют выявлять малейшие отклонения в фазе и амплитуде световых сигналов, что может повысить чувствительность систем, регистрировать больше событий, связанные с рождением гравитационных волн, и делать это точнее.

«Мы создали детектор на коммерчески доступном производстве чипов, чтобы сделать его применение более доступным. Хотя мы невероятно рады возможностям применения целого ряда квантовых технологий, крайне важно, чтобы мы, как сообщество, продолжали решать проблему масштабируемого производства квантовых технологий. Без демонстрации действительно масштабируемого производства квантового оборудования влияние и преимущества квантовой технологии будут отложены и ограничены», — сказал ведущий автор работы профессор Джонатан Мэтьюз (Jonathan Matthews).

Учёные Гарвардского университета и Центра квантовых сетей AWS в Amazon разместили в одном из районов Бостона несколько технологических узлов для организации сети, посредством которой была произведена передача запутанного фотона от одного квантового компьютера на другой на расстояние 35 км.

Источник изображения: Pete Linforth / pixabay.com

Построенная учёными сеть обеспечила возможность «эффективно получать, записывать, и передавать информацию, изначально хранящуюся в свете» — в данном случае фотонами в состоянии квантовой запутанности. Свету свойственно рассеиваться, и чтобы предотвратить рассеяние этих фотонов при передаче на большие расстояния необходимы ретрансляторы, которые не разрушают их запутанность и не изменяют сохранённую информацию. Захват света и его взаимодействие с элементами памяти осуществляется при помощи полостей в алмазах — выполняющие эти функции узлы могут выпускаться серийно с использованием современных технологий нанопроизводства.

В рамках проведённого эксперимента находящийся в состоянии квантовой запутанности фотон пролетел более 35 км и хранился более одной секунды, чего хватило бы для преодоления расстояния более чем 300 тыс. км, то есть он смог бы обогнуть Землю 7,5 раз. В квантовых сетях применяются те же принципы, что и в квантовых компьютерах — передача информации осуществляется с использованием квантового состояния фотонов. Эксперименты с квантовыми сетями проводятся уже давно, но коммерческих версий пока не создавал никто. Потребуется ещё множество улучшений, прежде чем сеть станет масштабируемой и коммерчески жизнеспособной, отметили в AWS. Пока она работает медленно и отправляет только один элемент данных за раз.

Великобритания первой в мире провела серию испытательных полётов, в которых протестировали основу для технологий перспективной квантовой навигационной системы. Она поможет предотвратить одну из наиболее потенциально опасных, но недостаточно широко освещаемых угроз — глушение и подмену сигнала GPS.

Источник изображения: twitter.com/QinetiQ

Система глобального позиционирования (GPS) настолько глубоко проникла в жизнь современного человека, что стала восприниматься как нечто само собой разумеющееся, но лишь до тех пор, пока спутниковый сигнал по какой-то причине не теряется или «перепрыгивает» в другую точку. Для обычного человека это неприятно, но с кораблями и самолётами дело обстоит куда более критично, особенно если речь идёт о подмене сигнала. Только в 2022 году зафиксированы 49 605 случаев, когда гражданские самолёты стали жертвами подмены сигнала GPS, гласит статистика Европейской ассоциации бизнес-авиации. Часто это происходит вблизи зон конфликта для неверной навигации вражеских самолётов или БПЛА. Но результат таких действий также может повлиять на работу авиадиспетчеров, которые полагаются на данные, поступающие напрямую от приборов на самолётах.

Один из способов борьбы с этим — подключение резервных систем навигации, например, инерциальных. Это электронный просчёт пути по данным гироскопов и акселерометров, который является вполне рабочим методом. Но со временем в таких системах накапливаются ошибки, которые в случае с подводными лодками могут исчисляться милями — поэтому им приходится всплывать и сверяться с координатами по GPS. Самолёты движутся намного быстрее, и ошибки в их системах также накапливаются быстрее. Для решения этой проблемы британские компании Infleqtion, BAE Systems и QinetiQ, а также агентство по науке и инновациям UKRI решили создать собственную навигационную систему на основе квантовой механики.

Квантовые навигационные системы получают данные, используя такие явления как квантовая запутанность, квантовая интерференция и сжатие квантового состояния. В сочетании с высокоточными атомными часами и специальным программным анализом для фильтрации помех они способны заменять GPS в течение длительного времени. Недавно на объекте британского Министерства обороны в графстве Уилтшир прошли испытания квантовой системы позиционирования, навигации и синхронизации (PNT) на основе компактных оптических атомных часов Tiqker и установкой на основе ультрахолодных атомов — они работали на самолёте QinetiQ RJ100. Как ожидается, PNT впоследствии будет интегрирована в полномасштабную квантовую инерциальную навигационную систему (Q-INS).

Сегодня в сфере вычислений переживают рассвет два новых направления — квантовое и нейроморфное. Казалось бы, это два разных пути, но на стыке этих областей могут возникнуть настолько мощные вычислительные решения, что всё остальное покажется детской игрушкой. Не зря ведь появились подозрения, что умственная деятельность человека сопровождается квантовыми эффектами, что заставляет учёных искать новые типы памяти с квантовыми явлениями.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Международная группа учёных из Германии, Китая и Чили предложила свой вариант такой давно придуманной памяти, как мемконденсатор (memcapacitor). Мемконденсаторы предложены теоретиками более 50 лет назад наряду с мемристорами и меминдуктивностями. В принципе, любой материал с нелинейными характеристиками (с петлёй гистерезиса) может служить памятью для электронных устройств. В новой работе, опубликованной на днях в журнале Communications Materials, исследователи рассказали, как они искали связь между электронными сигналами и квантовыми эффектами и как им в этом помог мемконденсатор.

Мемконденсаторы позволяют запоминать информацию, связывая напряжение и заряд (мемристоры, например, связывают ток и напряжение). Осталось подцепить всё это к «пугливым» квантовым состояниям, чтобы ячейка квантовой памяти могла записываться и считываться без разрушения, а также, чтобы квантовые эффекты, включая запутанность, в принципе могли возникать в подобной макросистеме и наблюдаться (измеряться).

В качестве инструмента воздействия на квантовый элемент памяти учёные предложили микроволновое излучение. Сам элемент памяти представляет собой два связанных колебательных контура, один из которых основной, а второй — вспомогательный, введённый для стабилизации работы основного контура благодаря организованной с ним обратной связи. К основному контуру подключён так называемый элемент SQUID или сверхпроводящий магнитометр (интерферометр). На SQUID воздействует микроволновое излучение, интенсивность которого зависит от измерений на вспомогательном контуре и он же управляет состоянием ячейки памяти. За счёт обратной связи представленный элемент демонстрирует стабильность работы и, как показали эксперименты, всё это сопровождается квантовыми эффектами, включая явление запутанности.

Принципиальная схема сверхпроводящего микроволнового мемконденсатора. Источник изображения: Communications Materials

«Это устройство работает с классическим входом в одном резонаторе, одновременно считывая отклик в другом, и служит фундаментальным строительным блоком для создания массивов микроволновых квантовых накопителей памяти. Мы наблюдаем, что двусторонняя схема может сохранять свои свойства памяти и демонстрировать запутанность и квантовые корреляции. Наши результаты открывают путь для экспериментальной реализации сверхпроводящих квантовых устройств с высокой ёмкостью памяти и массивов запоминающих устройств для нейроморфных квантовых вычислений», — пояснили в своей работе исследователи.

Ученые разработали метод получения сверхчистого кремния, который применяется для производства чипов. Используя стандартное оборудование, они добились снижения доли примесей кремния-29 в чипах до 0,0002 %. Данный способ позволит создавать более мощные квантовые компьютеры с большим количеством кубитов, сообщает New Atlas.

Источник изображения: Kandinskiy

Кремний заслуженно считается одним из ключевых материалов, лежащих в основе современных электронных устройств и компьютерных технологий. Его значение настолько велико, что в его честь даже названа знаменитая Кремниевая долина в Калифорнии — место, где зародились многие IT-гиганты. Однако у кремния есть и определенные недостатки, ограничивающие его применение в перспективных областях, таких как квантовые вычисления.

Исследователи из Мельбурнского и Манчестерского университетов разработали метод получения сверхчистого кремния с помощью стандартного оборудования — ионного имплантатора. С помощью этой установки, которая широко применяется в полупроводниковой промышленности, компьютерный чип был «обстрелян лучом» кремния-28, в процессе чего примеси кремния-29 были заменены на более желательный кремний-28, и в результате, концентрация кремния-29 в чипе снизилась с 4,5 % до 0,0002 %.

Почему чистота кремния важна для квантовых компьютеров? Дело в том, что в основе работы квантовых компьютеров лежат кубиты — квантовые биты, использующие принципы квантовой механики. Они крайне чувствительны к любым внешним воздействиям и должны находиться в состоянии квантовой когерентности.

Однако натуральный кремний содержит примерно 4,5 % изотопа кремний-29, имеющего дополнительный нейтрон. Эти нейтроны ведут себя как микроскопические магниты, нарушая когерентность кубитов и вызывая ошибки в квантовых вычислениях. Таким образом, использование натурального кремния существенно ограничивает возможности квантовых компьютеров, и для их полноценной работы требуется гораздо более чистый кремний с минимальным содержанием изотопа кремний-29.

Кремний с высокой чистотой может позволить значительно расширить возможности квантовых компьютеров, так как чем больше кубитов содержит квантовый чип, тем он мощнее. Сверхчистый кремний, который получили ученые, в данном случае поможет стабилизировать работу таких многокубитных систем. В дальнейшем планируется протестировать разработанные сверхчистые кремниевые структуры на реальных квантовых устройствах. А успешные результаты могут привести к появлению квантовых компьютеров нового поколения.

Японское правительство планирует расширить ограничения на экспорт ещё четырёх технологий, связанных с полупроводниками и квантовыми вычислениями. Новые меры коснутся сканирующих электронных микроскопов, используемых для анализа изображений наночастиц и транзисторов Gate all around. Потребуются лицензии на поставки криогенных КМОП-схем, используемых в квантовых компьютерах, а также на сами квантовые компьютеры.

Источник изображения: unsplash.com

Поставки этих технологий во все страны, включая таких давних стратегических партнёров, как Южная Корея, Сингапур и Тайвань, потребуют одобрения чиновников экспортного контроля. Ужесточение экспортного контроля — очередной шаг Японии в глобальном стремлении контролировать поток стратегических технологий. Этот шаг призван улучшить контроль за экспортом компонентов военного назначения и согласуется с аналогичными тенденциями по всему миру, заявило в пятницу Министерство экономики, торговли и промышленности. Изменения вступят в силу в июле 2024 года, после периода общественного обсуждения до 25 мая.

В прошлом году Япония расширила ограничения на экспорт 23 видов передовых технологий производства микросхем. Эта мера последовала за попытками США ограничить доступ Китая к ключевым полупроводниковым процессам. Официальные лица Вашингтона оказывают давление на своих международных партнёров, таких как Япония и Нидерланды, требуя присоединиться к торговым санкциям в отношении Китая, который США рассматривают как геополитического и потенциально военного соперника.