Сообщается, что в течение 2025 года компании Atom Computing и Microsoft поставят клиентам первые 1000-кубитные квантовые компьютеры. Это будут локальные системы на холодных нейтральных атомах, для которых Microsoft создала программную платформу для организации гибридных квантово-классических вычислений, а также базовые алгоритмы коррекции ошибок. Эти разработки позволят создать на компьютере массив из 50 логических кубитов для произвольных вычислений.

Источник изображений: Atom Computing

В компании Atom Computing подчёркивают, что они разработали локальную вычислительную систему, доступную для непосредственного использования клиентами. Кубиты создаются на основе охлаждённых атомов иттербия. Атомы доводятся в одной вакуумной камере до температуры, близкой к абсолютному нулю, и затем с помощью оптических пинцетов переносятся во вторую вакуумную камеру, где удерживаются в ловушках в конфигурациях, созданных по заданному алгоритму.

Конфигурации атомов представляют собой схему из соединённых гейтов — логических структур, предназначенных для обработки состояний входных кубитов. В 1000-кубитной системе этого года (точнее, 1200 кубитов) для создания схемы выполнения квантового алгоритма разработчики предлагают использовать около 50 логических кубитов. Важно отметить, что ряд конкурирующих компаний используют холодные нейтральные атомы для симуляции квантовых процессов. Это тоже своего рода расчёты, но универсальными такие платформы назвать нельзя. Компания Atom Computing изначально сочла такой подход неприемлемым и организует свои нейтральные холодные атомы в гейты.

«Atom Computing вообще никогда не интересовалась аналоговыми вычислениями [симуляциями], — говорит Реми Нотерманс (Remy Notermans), директор по стратегическому планированию компании. — Причина в том, что, когда мы говорим о долгосрочных отказоустойчивых квантовых вычислениях, на самом деле нужны компьютеры на базе гейтов. Очевидно, что я не могу читать мысли наших конкурентов, но мы увидели окно возможностей, где аналоговые вычисления с нейтральными атомами очень интересны. Однако для достижения долгосрочной цели создания отказоустойчивого квантового компьютера аналоговые вычисления не подходят».

У холодных нейтральных атомов, используемых в качестве кубитов, есть свои плюсы и минусы. Главный минус — операции с ними проходят ощутимо медленнее. Однако это компенсируется одним из самых длительных в отрасли времён когерентности, в течение которого можно запускать вычислительные алгоритмы и корректировать ошибки. Более того, ставка компании на атомные спины, а не на электронные, максимально увеличила время когерентности. Сегодня оно у них самое продолжительное в отрасли, а точность вычислений на уровне 99,6 % для двухкубитных гейтов является самой высокой в индустрии.

Считается, что абсолютно безошибочными квантовые вычисления станут после создания компьютера на 1000 логических кубитов из 1 млн физических. На практике всё может быть не так однозначно, но цель ясна — пытаться создавать системы с наибольшим возможным числом логических кубитов за счёт избыточности физических. В этом году Atom Computing и Microsoft предложат клиентам более 50 логических кубитов на более чем 1000 физических. На следующем этапе компании планируют начать поставки систем с более чем 100 логическими кубитами на более чем 10 тыс. физических. У компании нет узких мест, препятствующих масштабированию платформы, и она готова к развитию.

Интересно отметить, что в данном проекте в качестве партнёра участвует такой технологический гигант, как Microsoft. При этом у Microsoft есть свои собственные квантовые платформы и даже облачные сервисы в этой области. Однако в процессе поставки и развёртывания квантовых компьютеров Atom Computing компания Microsoft будет полноценно отвечать за свою часть — за коррекцию ошибок и создание гибридного стека с классическими компьютерами с использованием пакета Microsoft Azure Quantum. Этот пакет включает инструменты для виртуализации кубитов и упрощения работы с ними.

Со временем Atom Computing обещает начать поставки квантовых компьютеров для развёртывания облачных услуг. Однако для этого необходимо создать платформы следующего поколения, которые смогут приносить практическую пользу. Современные квантовые системы, а также решения ближайших лет, компания рассматривает как полигон для отладки алгоритмов и поиска оптимальных квантовых технологий. Чтобы квантовый компьютер обрёл практическую ценность, должно пройти ещё много лет.

Акции компаний, работающих в сфере квантовых вычислений, скатились вниз после того, как глава Nvidia Дженсен Хуанг (Jensen Huang) заявил, что ожидания рынка от квантовых вычислений слишком велики. По его мнению, до создания полезного квантового компьютера может пройти 15–30 лет. Точку зрения главы Nvidia разделяют не все эксперты.

Источник изображений: Nvidia

«Если бы вы сказали [что осталось ждать] 15 лет до появления полезных квантовых компьютеров, это, вероятно, было бы преуменьшением. Если бы вы сказали 30 лет, то, вероятно преувеличили бы. Но если бы вы выбрали 20 лет, я думаю, многие из нас поверили бы в это», — заявил Хуанг во время беседы с журналистами, отвечая на вопрос о перспективах дальнейшего роста технологий квантовых вычислений.

На этом фоне акции компаний, связанных с квантовыми вычислениями, обвалились. Так ценные бумаги Rigetti Computing подешевели на 40 %, акции IonQ потеряли в цене 37 %, а D-Wave Quantum — более 30 %. Компания Quantum Computing, которая недавно объявила о размещении акций для привлечения $100 млн, подешевела на 37 %.

«Поскольку оценки стали несколько завышенными, мы не увидели сегодняшней коррекции. Широкий консенсус уже давно говорит о том, что до начала массового применения квантовых вычислений ещё много лет, поэтому сегодняшние негативные новости не имеют под собой никакой реальной основы», — считает генеральный директор AXS Investments Грег Бассук (Greg Bassuk).

Генеральный директор D-Wave Quantum Алан Барац (Alan Baratz) уверен, что Дженсен Хуанг ошибается в своих оценках перспектив рынка квантовых вычислений. «Причина, по которой он ошибается, заключается в том, что мы в D-Wave уже сегодня занимаемся коммерцией. Не через 30 лет, не через 20 лет, не через 15 лет, но прямо сейчас, сегодня», — заявил Барац во время беседы с журналистами CNBC. Он также добавил, что разные компании, включая Mastercard и японскую NTT Docomo, «сегодня используют наши квантовые компьютеры в производстве для улучшения своих бизнес-операций». При этом D-Wave продолжает получать минимальную выручку. Продажи компании в последнем квартале упали на 27 % до $1,9 млн относительно аналогичного периода годом ранее.

В конце 2024 года вырос интерес инвесторов к квантовым вычислениям, чему способствовал анонс квантового процессора Google Willow. На этом фоне подскочила стоимость акций многих компаний, работающих в данном сегменте. К примеру, ценные бумаги Rigetti и D-Wave подорожали в сумме на 1449 % и 854 % соответственно.

В интернете полно видеороликов с виноградинами, буквально зажигающими в микроволновой печи. Разрезанная на две половинки ягода при включении микроволновки начинает искрить и вскоре ярко вспыхивает, демонстрируя опасные на первый взгляд эффекты. Казалось бы — сплошное развлечение, однако вдумчивый эксперимент показал, что за явлением стоит интересная физика, способная дать толчок в развитии квантовых детекторов.

Источник изображения: Fawaz, Nair, Volz

Впервые любительские эксперименты с поджиганием виноградин начались в 1994 году. Все они были одинаковы — виноградина разрезалась на две половинки так, чтобы они оставались соединены тонкой кожицей. Позже выяснилось, что это не обязательно. Достаточно, чтобы половинки или целые виноградины оставались рядом. Более того, аналогичный эффект в микроволновке проявляли крыжовник, большие ягоды ежевики и гидрогелевые шарики.

Во всех случаях физика была примерно одинаковая. Плотность винограда, например, оказывалась оптимальной, чтобы происходил разрыв клеток с последующей ионизацией молекул и их разрывами. Клеточная жидкость сама по себе электролит — содержит ионы, к которым добавлялись ионы, образующиеся под действием микроволнового излучения. Виноградины начинали испускать плазму, которая в потоке излучения воспламенялась.

В ходе очередного эксперимента в 2019 году выяснилось, что виноградины не обязательно должны быть соединены физически. Эффект проявляется, если они находятся рядом. В новой работе учёные поставили более тонкий эксперимент — они измеряли силу электромагнитного поля вблизи виноградин и без них. Для этого был изготовлен искусственный наноалмаз с азотными дефектами в кристаллической решётке. Дефекты реагировали на свет зелёного лазера, и по интенсивности их свечения можно было определить интенсивность микроволнового поля вблизи этого датчика.

Наноалмаз поместили на волновод, по которому передавался импульс зелёного лазера. Над наноалмазом разместили пару виноградин. Измерения показали, что в присутствии виноградин поле демонстрировало в два раза большую силу, чем без них. Это объясняется тем, что в случае оптимального размера ягод (около 27 мм в длину), пара создаёт «горячую точку» между одной и другой ягодой, усиливая приложенное излучение и повышая вблизи точки силу поля.

На обнаруженном эффекте можно создать целый спектр высокочувствительных датчиков для космоса, работающих в микроволновом диапазоне, включая поиск гипотетических частиц тёмной материи. Также открытие поможет продвинуться в квантовых вычислениях, где микроволновые излучения и поля играют ключевую роль. Но прежде необходимо сузить рамки эксперимента для выяснения более точных параметров элементов будущих датчиков. Поставленный эксперимент был достаточно грубым и не очерчивает границ возможного.

По сообщению пресс-службы физического факультета МГУ, 19 декабря 2024 года был проведен контрольный эксперимент, подтвердивший работу первого в стране 50-кубитного квантового компьютера. Установка была официально представлена в октябре этого года. Она создана в рамках многолетнего плана под патронажем «Росатома». Платформа подходит для масштабирования и постепенно позволит нарастить число кубитов до 300 и более.

Источник изображения: Пресс-служба физического факультета МГУ

Создание 50-кубитного квантового компьютера в России позволит в обозримом будущем найти практическое применение вычислителям такого класса. В ближайшее время начнётся отладка платформы для повышения точности выполнения двухкубитных операций.

«На новом этапе важно начать практическое применение квантовых инноваций. Атомная отрасль уже запустила программу пилотных внедрений квантовых вычислений. Мы рассчитываем на синергию в этой области усилий Росатома и научных коллективов страны, включая ЦКТ МГУ имени М.В. Ломоносова», — пояснила директор по цифровизации госкорпорации «Росатом» Екатерина Солнцева, которую цитирует пресс-служба университета.

Анонсированная МГУ платформа представляет собой так называемый оптический стол, большую часть которого занимает лазерная система, используемая для охлаждения и управления состояниями атомов, а также система со сверхвысоким вакуумом и оптическим доступом. Разработчики — специалисты Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова и Российского квантового центра — уточняют, что система будет доступна через облако. Пользователям неважно, размещён ли это прототип на открытом стенде или красиво упакованное в корпус изделие. Главное, чтобы компьютер работал.

Кстати, среди ведущих специалистов в области квантовых вычислений нет единого мнения о том, что такое квантовая платформа — вычислитель или симулятор. Происходящие в них процессы представляют собой квантовые явления, которые в полном объёме невозможно воспроизвести на классических компьютерах. Учёные как бы позволяют атомам, помещённым в определённые условия, вести себя так, как будто за ними никто не наблюдает, и затем изучают полученные результаты. Таким образом, задачи поиска новых материалов, разработки лекарств и даже оптимизации логистики решаются практически сами собой, но создание начальных условий и извлечение результатов — это поистине титанический и одновременно изощрённый труд.

Созданный в России вычислитель основан на одиночных нейтральных атомах рубидия, которые захватываются оптическими пинцетами (сфокусированными лазерными лучами). Именно благодаря использованию оптических пинцетов удалось относительно простыми средствами собрать 50-кубитную систему и планировать её расширение до 100 кубитов к 2030 году.

«В настоящий момент в Центре квантовых технологий МГУ мы можем создавать квантовые регистры из 50 атомов, расположенных в упорядоченном массиве, реализовывать операции над одиночными кубитами. <…> Нейтральные атомы в оптических пинцетах — хорошая система с точки зрения перспектив масштабирования, нам более-менее понятно, как дойти от систем из десятков кубитов к сотням и даже тысячам кубитов», — пояснил учёный, чьи слова приводит пресс-служба университета.

Данные берутся из публикации Больше кубитов — меньше ошибок? Да, но торопиться не надо…

Желающие отточить навыки программирования квантовых компьютеров получили возможность работать на новейшей платформе калифорнийского стартапа Rigetti Computing. Компания открыла облачный доступ к 84-кубитной системе на новейшем процессоре Ankaa-3. Платформа Rigetti использует классические сверхпроводящие кубиты, что может сделать её новую платформу наиболее востребованной среди пользователей.

Квантовый процессор и компьютер компании Rigetti Computing. Источник изображения: Rigetti Computing

Как уверяют в Rigetti, благодаря модернизированной архитектуре точность квантовых вентилей существенно повышена, что приводит к более достоверным результатам вычислений. В частности, в 2024 году удалось вдвое снизить частоту ошибок и достичь средней точности iSWAP-вентилей на уровне 99,0 %, а также продемонстрировать среднюю точность fSim-вентилей на уровне 99,5 %. Среднее время выполнения операций для элементов iSWAP составило 72 нс, а для fSim — 56 нс. Вентили fSim компания называет оптимизированными для выборки случайных схем, что делает их аналогичными квантовым чипам Google и её новейшему процессору Willow.

Компания Rigetti улучшила не только архитектуру кубитов, но также провела модернизацию всей цепочки производства квантовых процессоров: от методов нанесения металлизации на отдельные элементы, такие как сверхпроводящие джозефсоновские переходы, до организации кубитов в массивы для коррекции ошибок. Кубиты Rigetti представляют собой джозефсоновские переходы, резонаторы и радиочастотные датчики, которые в составе платформы охлаждаются до температуры чуть выше абсолютного нуля (около 10 мК). Для производства таких кубитов используется адаптированный техпроцесс выпуска микроэлектромеханических систем (МЭМС), хорошо известный в полупроводниковой отрасли.

В 2024 году компания планирует представить следующее поколение своей квантовой модульной архитектуры. Например, ближе к лету появится 36-кубитная система, основанная на четырёх 9-кубитных чипах, соединённых вместе. Это позволит вдвое снизить частоту ошибок по сравнению с текущим уровнем. К концу 2025 года Rigetti планирует выпустить систему с более чем 100 кубитами, что также приведёт к двукратному снижению частоты ошибок по сравнению с сегодняшним днём.

Кроме того, Rigetti Computing вскоре предоставит облачный доступ к своему новейшему 84-кубитному компьютеру через сторонние платформы, такие как Amazon Braket и Microsoft Azure.

Учёные из Северо-Западного университета США (Northwestern University) первыми в мире, как они утверждают, осуществили квантовую телепортацию по интернет-кабелю, загруженному посторонним трафиком. Им удалось передать запутанные состояния двух фотонов на расстояние 30,2 км по тому же оптоволокну, по которому шёл обмен обычными данными, а затем зафиксировать факт коллапса волновой функции и мгновенной телепортации квантового состояния.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Пока остаются серьёзные сомнения в том, можно ли использовать обычные коммуникации для передачи квантовых состояний — иначе говоря, для создания глобального квантового интернета без развёртывания новой отдельной инфраструктуры. Работа исследователей из США, опубликованная сегодня в журнале Optica, даёт основания полагать, что квантовые данные можно будет передавать по существующим линиям оптической связи.

Эксперимент проводился в лаборатории на катушке оптического кабеля длиной 30,2 км. Забегая вперёд, отметим, что на следующем этапе учёные попытаются телепортировать квантовые состояния через реальную интернет-сеть. В лабораторных условиях исследователи, насколько это было возможно, воспроизвели работу сети интернет в обычных условиях. По кабелю передавался интернет-трафик с полосой пропускания 400 Гбит/с в диапазоне C. Основной задачей было подобрать для двух запутанных фотонов такой частотный диапазон, чтобы их состояния не разрушились до измерения (до завершения передачи на другой конец линии). Также учёные разработали систему фильтров, чтобы минимизировать помехи от обычного трафика.

«Это невероятно захватывающе, потому что никто не думал, что это возможно, — заявил Прем Кумар (Prem Kumar) из Northwestern, руководитель исследования. — Наша работа показывает путь к квантовым и классическим сетям следующего поколения, разделяющим единую волоконно-оптическую инфраструктуру. По сути, это открывает дверь для вывода квантовых коммуникаций на новый уровень».

Следует уточнить, что квантовая телепортация не переносит информацию в традиционном понимании. Квантовое состояние фотона заранее неизвестно. Попытка его определить до передачи, например измерить направление спина, приведёт к коллапсу волновой функции, и тогда просто нечего будет отправлять. А раз мы не знаем, что передаём, смысла в телепортируемой информации нет. Однако можно телепортировать квантовые состояния, что лежит в основе квантовой криптографии. Если такое сообщение перехватят, об этом мгновенно станет известно, независимо от расстояния между запутанными фотонами.

Схема эксперимента. Источник изображения: Optica 2024

Учёные из Северо-Западного университета продемонстрировали, что на примере загруженной трафиком обычной волоконно-оптической линии запутанные фотоны можно передавать одновременно с обычными данными. Квантовое состояние сохраняется до конца передачи и при измерении телепортируется. Это открывает возможность для сосуществования квантовой криптографии и традиционного интернет-трафика. Но исследователи намерены идти дальше. Их интересует передача запутанных состояний другим парам фотонов, чтобы они участвовали в распределённых квантовых вычислениях. Только так можно будет наложить квантовый интернет на существующую инфраструктуру интернета.

Неделю назад Google сообщила о создании самого мощного в мире квантового процессора Willow с 105 сверхпроводящими кубитами. Этот процессор поддерживает передовую технологию коррекции ошибок, решая одну из самых сложных проблем квантовых вычислений. Прошло всего семь дней, и китайские учёные поведали о создании квантового процессора Zuchongzhi 3.0 («Дзучунжи-3»), который, по их словам, ничем не уступает Google Willow. Китай не отстаёт от США в квантовых технологиях.

105-кубитовый китайский процессор Zuchongzhi 3.0 («Дзучунжи-3») на сверхпроводящих кубитах. Источник изображения: CCTV

Квантовые вычисления обещают экспоненциальное ускорение расчётов благодаря особенностям квантовой механики, таким как суперпозиция и запутанность квантовых битов — кубитов. Чаще всего речь идёт о симуляциях. Например, квантовые системы (процессоры и компьютеры) могут воспроизводить поведение атомов в кристаллических решётках, позволяя проводить эксперименты «вычисляя ответ» без использования физических образцов. Кроме того, квантовые платформы отлично справляются с задачами оптимизации, где обработка огромного объёма данных заменяется переходом квантовой системы в состояние с минимальной энергией (так называемый квантовый отжиг).

В обоих случаях, будь то вычисления или симуляции, больше всего ресурсов требуется для коррекции ошибок. Один из популярных методов борьбы с ними — поверхностный код, который представляет собой матрицу из физических кубитов. Размер этой матрицы напрямую влияет на точность и скорость выполнения расчётов.

Google утверждает (пока без детальных объяснений), что добилась значительного прорыва в использовании поверхностного кода для коррекции ошибок. В свою очередь, китайские учёные из Университета науки и технологий Китая (USTC) в своей статье, пока ещё не прошедшей рецензирование, заявили, что также совершили прорыв в этом направлении и намерены развивать свои технологии.

Через несколько месяцев процессор Zuchongzhi 3.0 («Дзучунжи-3») может продемонстрировать уровень коррекции ошибок, превосходящий достижения компании Google, если исходить из заявлений китайских исследователей.

Недавнее заявление Google о создании квантового чипа Willow с вычислительной мощностью в 105 кубитов спровоцировало обсуждения по поводу угрозы квантовых технологий для криптографических алгоритмов Bitcoin, таких как Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA) и Secure Hash Algorithm (SHA-256). Тем не менее, эксперты отмечают, что для реального взлома криптографической защиты биткоина потребуется несколько миллионов кубитов, и такая угроза остаётся весьма отдалённой.

Источник изображения: Traxer / Unsplash

ECDSA, алгоритм проверки цифровой подписи при помощи криптографии на эллиптических кривых, обеспечивает создание и проверку цифровых подписей, подтверждающих подлинность транзакций и право владельца на управление средствами. SHA-256, алгоритм криптографического хеширования, выполняет ключевую роль в обеспечении целостности данных блокчейна и формирует основу механизма доказательства выполнения работы (Proof-of-Work), позволяя сети надёжно защищать транзакции и подтверждать новые блоки. Эти технологии являются фундаментом криптографической защиты Bitcoin, однако с развитием квантовых вычислений их устойчивость может подвергнуться серьёзным испытаниям.

Аналитики Bernstein подчёркивают, что, несмотря на стремительное развитие квантовых технологий, практическая угроза для криптографических стандартов Bitcoin остаётся весьма отдалённой, поскольку текущие квантовые компьютеры не обладают достаточной мощностью для таких атак. Однако сообщество Bitcoin уже активно обсуждает переход на квантово-устойчивые криптографические алгоритмы, способные заменить существующие стандарты.

Переход на квантово-устойчивую криптографию сопряжён с серьёзными техническими вызовами. Как отмечает разработчик и создатель протокола Bitcoin STAMPS, известный под псевдонимом Mike In Space, квантово-устойчивые цифровые подписи имеют значительно больший размер, что потребует увеличения размера блока и, соответственно, изменений в архитектуре сети. Такая модификация может потребовать хардфорка, который, в случае разногласий внутри сообщества, способен привести к расколу сети. Альтернативным решением может стать мягкий форк, однако он потребует длительного и дорогостоящего процесса перевода средств пользователей на новую систему, что в условиях текущих ограничений по размеру блока может занять годы.

Чарльз Эдвардс (Charles Edwards), основатель Capriole Investments, предостерегает, что угроза квантовых вычислений может стать реальностью уже в ближайшие 5–10 лет. По его оценке, квантовый компьютер с 2500 логическими кубитами будет способен скомпрометировать безопасность алгоритма SHA-256, который играет важную роль в защите блокчейна Bitcoin. Эдвардс подчёркивает необходимость немедленных действий, поскольку согласование квантово-устойчивых криптографических стандартов и их внедрение может занять годы. Задержки в реализации этих мер могут существенно сократить временной запас для защиты сети от новых угроз.

Развитие квантовых вычислений представляет собой угрозу не только для криптовалют, но и для широкого спектра современных технологий. Под угрозой оказываются банковские счета, системы безопасного хранения данных, коммуникационные протоколы и другие решения, которые зависят от криптографических стандартов, таких как RSA, ECDSA и AES. Эта проблема носит глобальный характер, требуя координированных усилий разработчиков, учёных и регуляторов для создания и внедрения квантово-устойчивых алгоритмов, которые помогут минимизировать риски, вызванные стремительной технологической революцией.

Аналитики Bernstein отметили, что снижение цены биткоина после преодоления отметки $100 000 было вызвано рыночными факторами, включая избыточное использование кредитного плеча, что привело к усилению волатильности. Тем не менее, эксперты сохраняют оптимизм, рекомендуя инвесторам «оставаться в длинной позиции». Они подчёркивают, что уровень $95 000–98 000 остаётся привлекательным для долгосрочных вложений, особенно на фоне высокого спроса на ETF и активности корпоративных инвесторов. По их прогнозам, цена биткоина может достичь $200 000 в течение следующих 12 месяцев, что делает текущие уровни привлекательными для стратегических инвесторов.

Учёные из Австралии сообщили о разработке «трёхмерных» топологических кодов коррекции ошибок квантовых вычислений. Предложенная ими схема использует для коррекции меньше физических кубитов в пересчёте на один логический кубит. Новшество обещает приблизить появление «квантовых жёстких дисков» — хранилищ квантовых состояний для вычислений с невообразимым уровнем производительности.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Как известно, время когерентности кубитов — время удержания запутанных квантовых состояний — очень маленькое по причине их высочайшей нестабильности. И если с физикой бороться предельно сложно, то операции коррекции ошибок могут помочь в проведении безошибочных вычислений. Классические компьютеры это показали с достаточной убедительностью. Но в случае операций с кубитами всё намного сложнее — для них нужны свои коды и механизмы коррекции.

Традиционным методом исправления ошибок в квантовых вычислениях признан так называемый топологический код или поверхностный код, у которого также есть другие названия. Это своего рода таблица или матрица, которая требует физической или схемотехнической реализации логических кубитов из нескольких физических. В идеале для безошибочной работы каждого логического кубита необходимо 1000 физических кубитов, но на таком подходе масштабируемую вычислительную квантовую платформу построить нельзя.

Учёные из Австралии поставили перед собой задачу уйти от традиционного поверхностного кода и создать его трёхмерный аналог, который помог бы облегчить создание квантового вычислителя или симулятора с более эффективной коррекцией ошибок и экономным расходованием физических кубитов. Как недавно они сообщили в журнале Nature Communications, им это удалось.

«Предлагаемая нами квантовая архитектура потребует меньше кубитов для подавления большего количества ошибок, высвободив больше для полезной квантовой обработки», — говорится в заявлении ведущего автора работы Доминика Уильямсона (Dominic Williamson), исследователя из Нано-института и школы физики Университета Сиднея (University of Sydney Nano Institute and School of Physics).

«Этот прогресс имеет решающее значение для разработки масштабируемых квантовых компьютеров, поскольку позволяет создавать более компактные системы квантовой памяти, — сказано в аннотации к работе. — За счёт сокращения физических затрат на кубиты полученные результаты прокладывают путь к созданию более компактного "квантового жёсткого диска" — эффективной системы квантовой памяти, способной надёжно хранить огромные объёмы квантовой информации».

Швейцарские учёные впервые придали кубиту осязаемые физические черты. Вместо ионов, атомов и электромагнитных ловушек они предложили кубит на основе резонирующей пьезоэлектрической мембраны. Тем самым учёные значительно повысили время когерентности кубита, в течение которого он дольше остаётся в состоянии суперпозиции. Это открывает возможность проводить с ним квантовые вычисления или использовать его в качестве сверхчувствительного датчика

Два серых прямоугольника слева — это сверхпроводящий кубит, а точка справа — резонатор. Источник изображения: ETH Zürich

Учёные давно научились транслировать квантовые свойства элементарных частиц и атомов в состояния кубитов для вычислений или измерений. Однако эти методы страдают от высокой вероятности ошибок и крайне малого времени удержания квантовых состояний, что затрудняет свободное манипулирование ими. Было бы заманчиво воспроизвести квантовые состояния на макроскопическом уровне, обучив систему реагировать на изменения на микроуровне. Этого удалось добиться исследователям из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zürich).

Учёные объединили сверхпроводящий кубит и пьезоэлектрический резонатор. Предложенное решение позволило транслировать состояние суперпозиции в резонансные колебания мембраны. По сути, это первый полностью механический кубит, утверждают исследователи. В ходе серии экспериментов они доказали, что устройство способно реагировать на одиночные фотоны. Время когерентности механического (точнее, акустического) кубита значительно превышает время когерентности «бозонных» кубитов и напрямую зависит от типа используемых сверхпроводящих материалов.

На следующем этапе учёные намерены проверить предложенный ими механический кубит в составе вычислительных схем квантового компьютера, а также использовать его в качестве сенсора для различных измерений.

Компания Nvidia поможет Alphabet, материнской компании Google, в разработке квантовых процессоров. Согласно заявлению обеих компаний, подразделение Google Quantum AI будет использовать суперкомпьютер Nvidia Eos для ускорения проектирования квантовых компонентов.

Источник изображений: Nvidia

Идея состоит в том, чтобы на базе суперкомпьютера Nvidia Eos моделировать физические процессоры, необходимые для работы квантовых процессоров, что поможет преодолеть текущие ограничения в разработке по-настоящему эффективных квантовых систем.

Квантовые вычисления основаны на принципах использования квантовой механики для создания машин, которые будут намного быстрее, чем современные технологии на основе полупроводников. Однако для массового характера использования таких технологий время пока не пришло. Как сообщает Bloomberg, несмотря на то, что различные компании заявляли о прорывах в области квантовых вычислений, могут потребоваться десятилетия, чтобы на рынке появились действительно крупномасштабные коммерческие проекты, связанные с квантовыми вычислениями.

Nvidia, самая дорогая компания в мире, считает, что её аппаратные технологии помогут Google решить одну сложную проблему, связанную с квантовыми вычислениями. По мере того, как квантовые процессоры становятся всё более сложными и мощными, в квантовых вычислениях становится всё сложнее различать фактическую информацию и помехи, известные как шум.

«Разработка коммерчески полезных квантовых компьютеров возможна только в том случае, если мы сможем масштабировать квантовое оборудование, контролируя шум. Используя ускоренные вычисления Nvidia, мы изучаем влияние шума на растущую сложность схем квантовых чипов», — прокомментировал Гифре Видал (Guifre Vidal), научный сотрудник Google Quantum AI.

Для поиска решений Nvidia предлагает использовать гигантский суперкомпьютер, в котором используются её ИИ-ускорители. С помощью суперкомпьютера будут моделироваться процессы взаимодействия квантовых систем с окружающей средой. Например, многие квантовые чипы необходимо охлаждать до очень низких температур, чтобы они вообще работали.

Раньше такие вычисления были чрезвычайно дорогими и отнимали много времени. Nvidia заявляет, что её система будет выдавать результаты расчётов, на которых ранее ушла бы неделя, за считанные минуты, и это обойдётся значительно дешевле.

Две недели назад Apple представила новое поколение MacBook Pro — компьютеры получили чипы M4 Pro и M4 Max. Но в ходе анонса компания не сообщила, что ещё одним нововведением стали более качественные дисплеи на квантовых точках.

Источник изображения: apple.com

Apple до сих пор устанавливает на MacBook ЖК-экраны IPS, пусть и более качественные, чем на большинстве других ноутбуков. Производитель указывает, что в них используется усовершенствованная подсветка miniLED — небольшие светодиоды, которые позволяют локально осветлять или затемнять участки экрана. Другими словами, базовая технология для этих дисплеев не меняется довольно давно, но удалось добиться заметного улучшения яркости и контрастности.

В предыдущих моделях MacBook Pro на процессорах серии Apple M использовалась красная фосфорная плёнка KSF, которая обеспечивает с подсветкой miniLED более широкую цветовую гамму, чем это обычно возможно. Это достаточно эффективное решение, но не настолько, насколько эффективны квантовые точки, которые, по словам аналитика в области дисплеев Росса Янга (Ross Young), без громких анонсов дебютировали в MacBook Pro с процессорами M4. В комментариях к его сообщению в соцсети X пользователи добавили, что выросла и скорость отклика дисплеев на компьютерах нового поколения.

Технология квантовых точек существует довольно давно, но Apple не спешила внедрять её, потому что квантовые точки предыдущих поколений производились с использованием кадмия. Компания ещё в 2015 году сообщила, что не желает использовать его — Всемирная организация здравоохранения объявила, что для человека это канцероген, а переработка и утилизация содержащей кадмий электроники опасны.

Квантовые состояния крайне нестабильны, но обладают невероятными возможностями. То же состояние квантовой запутанности Эйнштейн называл «ужасным» и не мог до конца принять, что запутанные атомы могут «чувствовать» друг друга на разных концах Вселенной. Такие свойства неоценимы для проведения сверхчувствительных измерений и даже для поиска новой физики, но им мешает чрезвычайная краткость времени когерентности, которую преодолели учёные из Китая.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

На сайте arXiv появилась статья исследователей из Университета науки и технологий Китая, в которой заявляется об удержании квантовых состояний атомов в течение 23 минут, что можно считать абсолютным рекордом. Обычно время когерентности не превышает нескольких миллисекунд, что кратно меньше нового достижения. Статья пока не прошла рецензирование и должна восприниматься с осторожностью. Однако если другие коллективы смогут повторить опыт китайских учёных, то это станет крупным прорывом в разработке квантовых технологий.

Эксперимент заключается в охлаждении 10 тыс. атомов иттербия до нескольких тысячных градуса выше абсолютного нуля, которые затем были пойманы в ловушку электромагнитными полями лазерного излучения. В этих условиях квантовыми состояниями атомов можно было очень точно управлять, и исследователи воспользовались этим, чтобы перевести каждый атом в суперпозицию двух состояний с наиболее сильно отличающимися спинами.

Точная настройка лазеров — оптических ловушек — позволила удерживать атомы в состоянии суперпозиции 1400 секунд или 23 мин. Этого времени будет достаточно для постановки экспериментов в квантовой физике, для измерений с погрешностью менее квантового предела (это так называемое квантовое превосходство в метрологии), для квантовой компьютерной памяти, наконец.

Китайские учёные опубликовали в национальном рецензируемом журнале Chinese Journal of Computers статью, в которой сообщили об эффективных атаках на ряд алгоритмов AES-шифрования. Атаки были проведены с использованием квантового компьютера канадской компании D-Wave Systems. Но основным «ударным» механизмом стал новый математический аппарат, разработанный в Китае. Специалисты оценили угрозу как «реальную и существенную».

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

Шифрование AES с ключами выше определённой длины сегодня считается чрезвычайно защищённым. Но это с точки зрения обычных компьютерных вычислений. Квантовые компьютеры и соответствующие алгоритмы потенциально обещают играючи взламывать ключи AES. Считается, что для этого должно пройти 10, 20 или даже больше лет. Однако есть опасения и признаки того, что всё произойдёт намного раньше — уже через 3-5 лет. Группа китайских учёных из Шанхайского университета в своей новой работе показала, что ряд алгоритмов шифрования, лежащих в основе AES, могут быть скомпрометированы квантовыми компьютерами.

Используя квантовый компьютер канадской компании D-Wave Systems учёные провели атаку на алгоритмы Present, Gift-64 и Rectangle, которые относятся к так называемому блочному шифрованию Substitution-Permutation network (подстановочно-перестановочная сеть). Код не был взломан окончательно, как говорится в работе, но команда исследователей была близка к этому как никто и никогда ранее. Сеть SP является частью AES-шифрования, с помощью которого банковский сектор, госструктуры и военные всего мира хранят свои секреты. Даже призрачная угроза в данном случае должна рассматриваться, как реальная.

«Это первый случай, когда настоящий квантовый компьютер представляет реальную и существенную угрозу для множества полномасштабных структурированных алгоритмов SPN, используемых сегодня», — говорится в рецензируемой статье.

Сам квантовый компьютер D-Wave Systems с трудом можно назвать квантовым. Он использует принцип квантового отжига — работает на поиске энергетических минимумов, что в физике соответствует стремлению атомов к наименьшему энергетическому состоянию. Всё, что осталось после обработки — «прогорания» — данных и есть искомый результат. Учёным нужно было лишь создать математический аппарат для обработки данных в нужном для них направлении. Такой аппарат с привлечением ИИ был создан, но он не универсальный и это затрудняет практическое использование квантовых платформ сегодня, в том числе, для успешного взлома AES-ключей.