Теги → квантовый
Быстрый переход

Зеленее зелёного: предложены солнечные элементы на квантовых точках без токсичных примесей

Квантовые точки рассматриваются как перспективные «присадки» не только при производстве дисплеев, в которых они испускают чистые спектры, но также и в солнечных панелях. За счёт квантовых точек солнечные панели могут вырабатывать электричество в более широком диапазоне улавливаемого излучения. Проблема в том, что для этого обычно используются токсичные материалы. Но если не гнаться за КПД, то солнечные панели можно сделать экологически чище.

Исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL) разработали новый тип солнечных элементов с квантовыми точками, которые не используют токсичных материалов. Эффективность предложенных фотоэлектрических преобразователей оказалась чуть ниже средней для данной категории продуктов (с квантовыми точками), однако альтернативные технологии используют свинец, кадмий или другие токсичные материалы, что делает новую разработку привлекательнее с точки зрения защиты окружающей среды и заботы о здоровье человека.

Вместо токсичных материалов учёные соединили вместе четыре элемента ― создали ядро из меди, индия и селена и покрыли его цинком. Это объекты нанометрового размера, что позволяет судить о сложности процессов. Затем эти объекты ― квантовые точки ― были равномерно внесены в нанопоры тонкой плёнки из диоксида титана. Надо отметить, что сложность изготовления квантовых точек из четырёх элементов привела к росту дефектов в их кристаллической структуре, но эти дефекты не помешали новым солнечным элементам выполнять свою работу.

В ходе экспериментов, статья о которых опубликована в журнале Nature Energy, квантовые точки показали высокую эффективность: из каждых 100 падающих на солнечный элемент фотонов в электроны превращалось 85 из них. Общая эффективность фотоэлектрического преобразователя оказалась меньше ― около 9 %. По данным источника, это примерно средний показатель КПД для солнечный элементов на квантовых точках. Рекорд в этой области принадлежит «токсичным» панелям на квантовых точках и достигает 16,6 %. Разработчики отмечают, что они не гнались за эффективностью, а хотели создать экологически чистый продукт с приемлемым КПД.

Военные США открыли для себя квантовые алгоритмы и теперь думают, как извлечь пользу

На днях Агентство перспективных исследований МО США DARPA запустило программу по продвижению квантовых вычислений. Военные отдают себе отчёт в том, что настоящих универсальных квантовых компьютеров не будет ещё очень и очень долго. Поэтому программа предполагает запуск квантовых алгоритмов на обычных ПК или создание гибридных платформ с использованием квантовых систем с относительно небольшим набором кубитов ― от сотен до тысяч.

В программе DARPA ONISQ (Optimization with Noisy Intermediate-Scale Quantum), будут участвовать семь университетских и отраслевых команд. На русский язык название программы можно перевести как оптимизация с зашумлёнными квантовыми системами среднего масштаба. К слову, название программы вероятно является анаграммой слова «оникс», что соответствует её духу. 

Программа ONISQ предусматривает две фазы или этапа. Первый этап стартовал в марте этого года и продлится полтора года. Участники этой фазы должны представить квантово-классический алгоритм и его исполнение на квантовом устройстве для решения конкретной задачи комбинаторной оптимизации. Этой задачей может быть глобальное управление логистикой, производство электроники, проблематика сворачивания белков или что-то другое. Решение подобных задач представляет интерес как для военных, так и для гражданских (коммерческих) целей.

Первым этапом займутся команды Georgia Tech Applied Research Corporation (дочернее предприятие корпорации Georgia Tech Research Corporation), некоммерческой ассоциации Universities Space Research Association (Ассоциация космических исследований университетов), Совета Гарвардского университета (Presidents & Fellows of Harvard College) и компании ColdQuanta.

Вторая фаза программы ONISQ в два раз длиннее ― она рассчитана на 30 месяцев (на 2,5 года). Участники второй фазы, а в неё могут перейти перспективные команды из первой фазы, будут разрабатывать общие теоретические методы для прокладывания пути к парадигме квантовой оптимизации. Проще говоря, вторая фазы программы предполагает поиск квантовых алгоритмов для решения задач комбинаторной оптимизации с намного большей эффективностью, чем на классических компьютерах. Начнут этим заниматься команды Университета Теннесси, Клемсонского университета и Лихайского университета.

«Что особенно интересно в командах ONISQ, так это то, что ученые, работающие в области квантовой информации, будут работать бок о бок с экспертами в области теории классической оптимизации», ― сказала Татьяна Курчич (Tatjana Curcic), руководитель программы в DARPA. «Вместе они выяснят, где гибридный квантово-классический подход принесет наибольшую отдачу».

Samsung представила смартфон Galaxy A Quantum с квантовой криптографией

С завтрашнего дня в Южной Корее оператор SK Telecom начнёт принимать заявки на уникальный смартфон Galaxy A Quantum с беспрецедентным уровнем защиты данных. Это модификация 5G-смартфона Samsung Galaxy A71 5G, в систему генерации паролей которого внесён эффект квантовой неопределённости. Это будет самый защищённый от взлома условно массовый коммерческий продукт. Смартфон поступит в продажу в Корее 22 мая и будет стоить около $530.

Обычный смартфон Samsung A71 5G

Обычный смартфон Samsung A71 5G

Модель смартфона Galaxy A Quantum полностью повторяет спецификации модели Samsung Galaxy A71 5G, за одним исключением. Модификация Galaxy A Quantum впервые в мире для смартфона с поддержкой 5G несёт на борту квантовый генератор случайных чисел (QRNG). Чип QRNG разработала швейцарская компания ID Quantique с таким уровнем финансирования со стороны SK Telecom, что её называют дочерним предприятием корейского оператора.

Чип QRNG представляет собой миниатюрное решение со сторонами 2,5 мм. Он предназначен для генерации «абсолютно» случайных чисел, что поднимает надёжность паролей на новую высоту. Генерируемые микросхемой QRNG числа будут ложиться в основу сильных паролей для входа со смартфона в удалённые информационные и финансовые службы.

«Квантовая» версия (www.sammobile.com)

«Квантовая» версия Samsung A71 5G (www.sammobile.com)

Наличие чипа QRNG, как видим, практически не сказалось на стоимости смартфона Galaxy A Quantum в южнокорейской рознице. Это отдельно интересно потому, что чип QRNG планируется использовать в устройствах Интернета вещей. Иначе говоря, это должно быть массовое и недорогое решение.

Квантовый генератор случайных чисел QRNG выдаёт случайное число на основе среднестатистической выборки после фиксации пучка фотонов. Фотоны (свет) испускает встроенный в чип светодиод, а фиксируются они встроенным в чип датчиком изображения CMOS.

По сути, матрица CMOS в генераторе QRNG фиксирует световой шум, уровень и рисунок которого невозможно предсказать. Поэтому числа из шума становятся условно случайными. Во всяком случае, в процессе генерации фотонов светодиодом и в работе матрицы настолько много случайностей (температура, стабильность питания и другое), что генерируемые чипом QRNG числа с высокой степенью достоверности можно считать случайными и практически защищёнными от взлома.

В мае Samsung выпустит первый в мире смартфон с квантовой криптографией

Традиционно квантовая криптография ассоциируется с оптическими линиями связи, поскольку она основана на переносе информации одиночными фотонами. А как же быть со смартфонами? Неужели мобильную связь нельзя защитить от потенциально любого вторжения? В мае компания Samsung и оператор SK Telecom сметут это ограничение и представят первый в мире смартфон с квантовой криптографией.

Смартфон Samsung A71 5G

Смартфон Samsung A71 5G

Как сообщают южнокорейские источники, компания Samsung готовит смартфон с рабочим названием GALAXY Quantum с беспрецедентным уровнем защиты от прослушивания и взлома. Это будет модификация серийной модели Samsung A71 5G, которая ранее в этом году уже поступила в международную продажу. Но только в отличие от своих обычных собратьев модель GALAXY Quantum будет нести в себе квантово-криптографический чип QRNG.

Чип QRNG ― это генератор случайных квантовых чисел или, по-английски, Quantum Random Number Generator. Вероятно, это решение швейцарской компании ID Quantique (IDQ), в которую оператор SK Telecom инвестировал два года назад (интересно, не будет ли с IDQ таких же проблем, как с другой швейцарской криптографической компанией под крылом ЦРУ?). Чип QRNG в составе смартфона генерирует последовательность чисел, которые затем ложатся в основу сильных паролей. Утверждается, что числа настолько случайны, что ни один алгоритм в мире не сможет подстроиться под работу генератора.

Генератор QRNG как и положено квантовой криптографии работает с фотонами, но только не с одиночными, а со среднестатистической выборкой из массива фотонов. По словам разработчиков, надёжность шифрования с использованием QRNG будет так же высока, как и в случае классического распределения квантовых ключей шифрования с помощью одиночных фотонов. Кроме защиты чип QRNG позволит также реализовать другой эффект квантовой криптографии, а именно уведомление о попытке перехвата сообщения.

Смартфон Samsung GALAXY Quantum будет продаваться только в Южной Корее (это ограничение юрисдикции оператора, надо полагать). Цена вопроса на местном рынке составит от 500 до 600 тыс. вон, или от $400 до $500. В международной продаже обычная версия Samsung A71 5G стоит $600, так что с ценой за пределами страны ясности пока нет. Теоретически, «квантовая криптография» должна потянуть цену аппарата вверх. Совершить квантовый скачок, если так можно пошутить.

Intel и QuTech создали квантовый компьютер, работающий при температурах выше одного кельвина

Компания Intel совместно со специалистами нидерландского научного-исследовательского института QuTech успешно продемонстрировали возможность использования спиновых кубитов (их состояние определяется спином атомных ядер) на основе кремниевых квантовых точек при температурах выше одного кельвина.

Квантовые компьютеры способны превзойти свои классические аналоги во многих задачах. Однако для возможности практического применения квантовых вычислительных систем необходимо обладать возможностью контролировать миллионы кубитов, в которых содержится информация.

Современные конструкции квантовых систем ограничены общим размером, надёжностью (точностью) кубитных операций, а также невероятной сложностью и дороговизной электроники, необходимой для управления квантовыми вычислениями в больших масштабах.

Для возможности хранения информации кубиты должны охлаждаться до температуры близкой к абсолютному нулю (-273°C или 0 кельвинов). Тем не менее, возможность повышения температуры, при которой смогут работать кубиты, имеет решающее значение для масштабирования квантовых вычислений. Ранее было показано, что квантовый компьютер работает только в диапазоне температур милликельвинов, то есть не более чем на долю градуса выше абсолютного нуля.

Учёные и инженеры Intel вместе с нидерландскими коллегами из QuTech смогли впервые продемонстрировать возможность работы кубитов на основе кремниевых квантовых точек при температурах выше 1 кельвина с сохранением высокого уровня надёжности и когерентности.

Время когерентности и надёжность однокубитной операции для двух кубитов (красный и синий) при температуре 1.1 кельвин

Время когерентности и надёжность однокубитной операции для двух кубитов (красный и синий) при температуре 1,1 кельвин

Более того, исследователи реализовали универсальную квантовую логику на основе двухкубитного процессора и продемонстрировали возможность её работы при температуре 1,1 кельвин с уровнем надёжности однокубитной операции в 99,3 % и временем когеренции 2 микросекунды. Ранее подобное было возможно только при температуре 40 милликельвинов.

Результат Intel и QuTech показывает, что квантовые вычисления обладают потенциалом масштабируемости, могут стать более простыми и, главное, более доступными.

Microsoft инвестирует в стартап PsiQuantum по созданию первого в мире  прикладного квантового компьютера

Компания Microsoft работает над квантовыми компьютерами уже несколько лет. В прошлом году она анонсировала полнофункциональную открытую облачную экосистему Azure Quantum для квантовых вычислений, а также запустила сообщество Quantum Network для продвижения идеи квантовых вычислений. Теперь же Microsoft инвестировала в PsiQuantum — 5-летний стартап, который хочет создать первый в мире утилитарный квантовый компьютер.

Как пишет Telegraph, целью PsiQuantum является создание первого в мире прикладного квантового компьютера мощностью 1 миллион кубитов. В его основе будут лежать кремниевые чипы, которые обрабатывают информацию с использованием отдельных фотонов. Это означает, что каждый отдельный компонент квантового компьютера изготавливается на одних и тех же фабриках и собирается на тех же производственных линиях, что и обычные ноутбуки или смартфоны. PsiQuantum собрал команду из более чем 100 инженеров с опытом работы во всех сферах полупроводникового производства и квантовых вычислений.

«Стоит отметить, что используемый PsiQuantum подход к топологическим кубитам отличается от того, что использует Microsoft (подход Microsoft позволил бы исправлять ошибки в оборудовании посредством топологической защиты от локальных помех, — прим.ред.). PsiQuantum и Microsoft сталкиваются с различными наборами инженерных задач, которые необходимо решать с помощью разных подходов, но компании разделяют видение масштабируемого, отказоустойчивого квантового компьютера»  — заявил Самир Кумар (Samir Kumar), управляющий директор фонда Microsoft M12.

Создание полностью программируемого квантового компьютера является одной из самых захватывающих современных задач в области науки и техники. В будущем квантовые суперкомпьютеры смогут моделировать химические реакции и свойства материалов с недосягаемым для обычных компьютерных технологий уровнем точности, что может в лучшую сторону преобразить любую сферу современных технологий: авто- и авиастроение, фармацевтику, промышленные процессы.

Fujitsu и канадская Quantum Benchmark совместно разработают «безошибочные» квантовые алгоритмы

Квантовые расчёты носят вероятностный характер, поэтому ошибки в квантовых вычислениях ― это неизбежная данность. Другое дело, что их можно минимизировать. Вместе решать эту проблему будут исследователи из японской компании Fujitsu Laboratories и канадской Quantum Benchmark.

Сегодня компании Fujitsu Laboratories и Quantum Benchmark выпустили пресс-релиз, в котором объявили, что будут проводить совместные исследования в области разработки квантовых алгоритмов с использованием фирменной технологии подавления ошибок Quantum Benchmark. Это технология True-QTM. Компания Fujitsu внедрит её в фирменные вычислительные квантовые платформы на основе так называемого квантового отжига.

Квантовый отжиг, в свою очередь, опирается на решение вычислительных задач с помощью комбинаторной оптимизации. Для решения подобных квантовых задач подходят современные вычислительные платформы. У Fujitsu есть соответствующее оборудование и, что важно, проверенные алгоритмы. Это означает, что партнёрам нет нужды дожидаться выхода криогенных или иных квантовых систем. Ряд квантовых алгоритмов и задач можно будет решать на современных компьютерах.

Стартап Quantum Benchmark основан ведущими исследователями из Института квантовых вычислений Университета Ватерлоо. В активе молодой компании программные инструменты для выявления и классификации ошибок, подавления ошибок и проверки производительности оборудования для квантовых вычислений. В основе совместных исследований Fujitsu и Quantum Benchmark будет лежать практическая адаптация запатентованной технологии True-QTM компании Quantum Benchmark. Ожидается, что на выходе партнёры получат устойчивые к ошибкам квантовые алгоритмы для решения проблем в области материаловедения, разработки лекарств и финансов, которые трудно решить с помощью обычных компьютеров.

Первый период совместных работ продлится с апреля 2020 года по март 2021 года с планами продлить работы после апреля 2021 года. Если всё будет хорошо, к 2023 году партнёры планируют продемонстрировать новые приложения на 100+ кубитовом квантовом компьютере. На плечи Fujitsu Laboratories ляжет обязанность разработки квантового алгоритма для таких приложений, как квантовая химия и машинное обучение, а также создание технологии анализа производительности для квантовых алгоритмов в моделировании.

Компания Quantum Benchmark, в свою очередь, обещает помочь с внедрением технологии диагностики ошибок True-QTM в современные платформы квантовых вычислений и поддержать на них реализацию квантовых алгоритмов.

Одной из лучших статей по физике в 2019 году стала статья об охлаждении фигурок LEGO до самой низкой температуры

Вы не поверите, но исследование о поведении пластмассовых фигурок из конструктора LEGO после охлаждения до рекордно низкой температуры провела группа британских учёных. Но не спешите с выводами. Исследователи выясняли важный вопрос ― какие материалы лучше всего использовать в конструкции квантовых компьютеров? Конструктор LEGO прошёл проверку на пять с плюсом.

На сайте Университета Ланкастера вышел пресс-релиз, в котором с гордостью сообщается о чрезвычайной популярности одного недавнего и необычного исследования, проведённого учёными этого академического заведения. Речь идёт об одной публикации в декабрьском номере престижного научного журнала Scientific Reports. В своей статье учёные раскрыли поведение пластиковых фигурок из обычного конструктора LEGO при охлаждении до самой низкой температуры, возможной в лабораторных условиях.

Сегодня статья об этом исследовании признана издательством Springer Nature как одна из 16 лучших статей по физике в 2019 году. Охладив фигурки LEGO из обычного ABC-пластика до –273,15 °C, физики выяснили две вещи. Во-первых, дешёвый пластик Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) способен выдерживать предельно низкие температуры и может быть использован для построения криогенных квантовых компьютеров, например, с использованием обычных 3D-принтеров. Определённо это удешевит создание подобных систем.

Вторым интересным выводом из исследования стало заключение о высоких теплоизолирующих свойствах шипованной конструкции соединения кирпичиков LEGO между собой. Это также позволяет рассчитывать, что в будущем появятся относительно недорогие и эффективные теплоизоляторы для криогенных квантовых вычислителей.

Статья о данном исследовании вышла по всему миру на более чем 30 языках в 60 странах. Этому во многом способствовало то, что охлаждению в самом передовом в мире холодильнике растворения подверглись вездесущие кубики LEGO, наступать на которые регулярно вынуждены многие родители. Учёные тоже люди, даже если они физики. Эксперимент с LEGO задел какую-то струнку в душе у многих.

Квантовые компьютеры смогут работать при комнатной температуре

Исследование, проведённое международной группой специалистов, приближает эпоху квантовых компьютеров, способных функционировать при комнатной температуре. Об этом сообщается в публикации Национального исследовательского технологического университета «МИСиС».

Квантовые вычислительные системы оперируют квантовыми битами, или кубитами. Они могут одновременно принимать значение и логического ноля, и логической единицы. Поэтому с ростом количества использующихся кубитов число обрабатываемых одновременно значений увеличивается в геометрической прогрессии.

На сегодняшний день в существующих квантовых системах наиболее распространены кубиты на сверхпроводящих материалах или на одиночных атомах в оптических ловушках. Однако для работы таких комплексов требуются сверхнизкие температуры, что оборачивается колоссальными затратами на постоянное охлаждение.

Новое исследование открывает путь к кубитам, функционирующим в обычных условиях. В работе приняли участие российские специалисты из НИТУ «МИСиС», а также их коллеги из Швеции, Венгрии и США.

Учёные нашли способ создавать стабильные полупроводниковые кубиты из карбида кремния (SiC). Специалистам удалось выяснить, какая именно структурная особенность позволяет таким кубитам работать при комнатной температуре.

«Карбид кремния и ранее рассматривался как перспективный материал для создания кубитов, однако в ряде случаев такие кубиты сразу же "перегорали" при комнатной температуре. Задачей учёных было выяснить, при какой модификации материала работа была бы стабильной. Разработка открывает новые перспективы в создании квантового компьютера, который бы стабильно работал при комнатной температуре», — говорится в сообщении. 

Физики из Цюриха создали локальную сеть для квантового компьютера

Громоздкие криогенные системы современных квантовых компьютеров по определению не могут вместить сотни и больше кубитов. Слишком уж большой получится система ― размерами с комнату или даже дом. Выходом может стать создание кластеров. Осталось решить задачу сетевого соединения систем в кластере с сохранением квантовой запутанности. Для этого физики из Цюриха смогли создать опытную квантовую локальную вычислительную сеть.

ETH Zurich

ETH Zurich

Группа физиков из Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) продемонстрировала микроволновую квантовую линию длиной пять метров. Это самая длинная в своем роде линия на сегодняшний день. Она может быть использована как для будущих квантовых компьютерных сетей, так и для экспериментов в области фундаментальных исследований квантовой физики.

Микроволновая линия представляет собой металлический волновод между двумя квантовыми процессорами. Как и квантовые процессоры, волновод охлаждён жидким гелием до температуры –273,15 °C. От внешней среды волновод отделён многослойным медным кожухом, вес которого составляет четверть тонны. Это позволяет держать температуру на необходимом нижнем уровне. Столь низкие температуры нужны для того, чтобы устранить тепловые возмущения, которые нарушают состояние суперпозиции квантов и ведут к ошибкам в расчётах.

Линия связи между квантовыми процессорами необходима для обмена состояниями суперпозиции между ними или для создания запутанности, чтобы квантовый кластер работал как единый квантовый вычислитель. Запутанность осуществляется с помощью фотонов микроволнового излучения. Генератор в одной системе испускает фотон, тот преодолевает дистанцию через волновод и принимается второй системой. Опыты с 5-метровой микроволновой линией показали, что в процессе передачи фотонов кубиты в связанных системах подвергались минимальной декогеренции (рассогласованию).

ETH Zurich

ETH Zurich

Параллельно физики создали 10-метровую и планируют создать 30-метровую линию квантовой связи. Линия длиной 10 метров уже создана и проверена охлаждением, но опыты на ней пока не ставились. Линия длиной 30 метров будут создана позже. Если будет реализована та же конструкция теплоизолирующего кожуха, то для неё понадобится полторы тонны меди. Очевидно, что над схемой теплоизоляции ещё предстоит поработать.

В США поставлен эксперимент по запутыванию фотонов на дальности до 83 км

Десять дней назад Белый дом объявил о финансировании проектов по развёртыванию в США «квантового» Интернета. В течение следующих пяти лет должны появиться фундаментальные основы технологии и ключевые компоненты. В следующие 20 лет начнётся развёртывание квантовых каналов связи, и невероятное будущее станет реальностью.

Схема коммуникации для установления квантовой запутаности на дальности 52 мили (83+ км)

Схема коммуникаций для установления квантовой запутанности двух фотонов на дальности 52 мили (83+ км)

В новости за 15 февраля мы уже сообщали о планах развернуть «квантовый» Интернет между всеми 17-ю национальными лабораториями в США. Уточним, речь идёт не только и не столько о защищённой квантовой связи ― о распределении квантовых ключей шифрования, а о передаче данных и о кластерах на основе квантовых компьютеров. Это совсем другое. В данном случае подразумевается передача информации с использованием законов квантовой механики, что ещё называют квантовой телепортацией.

Для осуществления квантовой телепортации ― мгновенной передачи информации на далёкое расстояние со скоростью выше скорости света ― частицы (в эксперименте это фотоны) должны быть запутаны. Это означает, что квантовые состояния двух или большего числа объектов (частиц, атомов или чего-то другого) оказываются взаимозависимыми. В такой связи состояние спина одной частицы всегда оказывается строго противоположным состоянию спина другой удалённой частицы. Также измерение состояния одной из частиц мгновенно разрушает запутанность ― происходит «телепортация» воздействия, что служит основой для передачи информации.

Учёные из национальной лаборатории Аргонн поставили эксперимент по запутыванию пары фотонов в условиях старой оптоволоконной городской кабельной сети. В опыте использовались две закольцованные петли по 26 миль каждая, всего получилась петля длиной 52 мили или свыше 83 км. Этот эксперимент важен был тем, что использовалась кабельная инфраструктура со всеми её недостатками ― температурными, механическими, шумовыми и электромагнитными воздействиями плюс годы эксплуатации.

Опыт показал, что пара фотонов сохраняла запутанность на удалении фактически 83 километров. С группой частиц (кубитов) всё будет сложнее, но факт остаётся фактом. Квантовая запутанность работает в полевых условиях и оставляет пространство для дальнейших экспериментов.

Intel проливает свет на «квантовую» SoC Horse Ridge

Компания Intel как ведущий разработчик микропроцессоров не могла остаться в стороне от создания квантовых вычислителей. С помощью учёных из Нидерландов она создала уникальный кремниевый контроллер для построения масштабируемых квантовых компьютеров. Сегодня она пролила немного света на эту разработку.

Криогенный контроллер Intel Horse Ridge для управления кубитами

Криогенный контроллер Intel Horse Ridge для управления кубитами

Формально контролер Horse Ridge был анонсирован в декабре прошлого года. На тот момент Intel отделалась общими словами и раскрыла только детали техпроцесса новинки. Кристальная сборка Horse Ridge, пояснили в компании, использует 22-нм техпроцесс и построена с использованием транзисторов FinFET с вертикальными затворами. Назначение контроллера действительно заключается в том, чтобы упростить создание многокубитовых вычислительных систем.

В своих изысканиях Intel исследует криогенные квантовые компьютеры. Такие системы работают при охлаждении до температуры вблизи абсолютного нуля. Современная электроника не может работать при охлаждении до таких температур. Поэтому управляющие схемы запускают щупальца-кабели из безопасного и теплого местечка снаружи изолированного бокса с кубитами внутрь охлаждённой камеры.

Именно поэтому квантовые вычислители выглядят как картинка из вселенной стим-панка. Для 50 кубитов или около того это терпимо, но масштабировать такую конструкцию до сотен и тысяч кубитов будет крайне сложно и дорого. Необходимы управляющие цепи, которые будут расположены как можно ближе к кубитам. В идеале электроника для усиления сигнала и для трансляции кода в управляющие кубитами сигналы должна располагаться в одной камере с кубитами. Именно для этой цели и создан контроллер Intel Horse Ridge.

Забегая вперёд, отметим, SoC Intel Horse Ridge работает при охлаждении до 4 кельвинов. Криогенные кубиты работают при более низкой температуре в доли одного кельвина. Так что мечта о едином вычислительном модуле с управляющей электроникой пока остаётся мечтой. Больше надежд на спиновые кубиты. Квантовый вычислитель на спиновых кубитах работает при температуре 1,6 кельвина, что уже ближе к возможностям контроллера Horse Ridge.

Что касается самого контроллера, то он для управления кубитами содержит радиочастотный многоканальный блок. Блок поддерживает работу четырёх радиочастотных каналов. Каждый канал может контролировать до 32 кубитов. Для этого используется частотное мультиплексирование ― разделение общего канала на непересекающиеся частотные диапазоны. Радиочастотные импульсы способны как опрокинуть спин (управлять кубитами), так и считать состояние кубита. Собственно с помощью радиоимпульсов вычислительный алгоритм транслируется в состояние кубитов. Всего один контроллер Horse Ridge может управлять 128 кубитами.

Также контроллер содержит блоки коррекции ошибок, которые могут возникать в многокубитовых системах. Радиосигнал в плотном окружении подвержен взаимным помехам и искажениям, что, например, может вызывать сдвиг фаз и вести к ошибкам в управлении и считывании кубитов. В контроллер встроен механизм автоматической подстройки частоты и фазы управляющих сигналов, что упрощает масштабирование системы.

Кремниевая схема с одним спиновым кубитом

Кремниевая схема с одним спиновым кубитом

Рабочий частотный диапазон квантового контролера Intel позволяет работать как с обычными сверхпроводящими кубитами, которые реагируют на частоты в диапазоне 6–7 ГГц, так и со спиновыми кубитами, которым нужны рабочие частоты в диапазоне 13–20 ГГц. Возможно из доклада Intel на эту тему на конференции ISSCC 2020 сегодня мы узнаем чуть больше о SoC Horse Ridge.

В США приступают к планированию квантового Интернета

Интернет вырос из распределённой сети обмена трафиком между университетами и научными центрами в США. Та же самая основа станет почвой для появления и развития квантового Интернета. Какие формы примет квантовый Интернет, заполонят его котики (Шрёдингера) или он поможет в скачкообразном развитии науки и техники сегодня можно только догадываться. Но он будет, и этим всё сказано.

По запросу Президента США Дональда Трампа бюджет 2021 года на развитие квантовой информатики (QIS, quantum information science) должен быть удвоен. Ранее мы сообщали, что в рамках развития экзафлопсных вычислений в США на 2021 год может быть выделено $5,8 млрд. На исследования в области квантовой информатики предусмотрено $237 млн. Из этой суммы на планирование и первичное развёртывание базы для квантового Интернета предназначено $25 млн.

Ведущую роль в создании квантовой сети по обмену трафиком, скажем так, нового поколения, будет играть Министерство Энергетики США (Department of Energy, DOE). Квантовый Интернет будет строиться на уже существующих региональных узлах, созданных лабораториями в подчинении министерства. Например, в качестве одного из узлов планируется задействовать точку обмена квантовыми данными, которую создали в Чикагском Университете. Партнёрами в данном случае выступили лаборатории Министерства Энергетики Argonne и Fermi. Недавно в университете запустили 83-км испытательный стенд для экспериментов по квантовой связи, который поможет приблизить момент появления квантового Интернета.

Ещё одна лаборатория министерства ― Брукхейвенская лаборатории (Brookhaven National Laboratory (BNL) ― возглавляет разработку квантовых узлов по обмену трафиком в Нью-Йорке и на «северо-востоке» страны. На западе США по этому вопросу Министерство Энергетики сотрудничает с объединением Northwest Quantum Nexus, в которое входят Pacific Northwest National Lab, Microsoft Quantum и Вашингтонский Университет. В конечном итоге планируется подключить к квантовому Интернету все 17 национальных лабораторий, не считая желающих примкнуть к процессу.

Штука в том, что время для квантового Интернета ещё не пришло. Но когда такое мешало осваивать бюджет? Многие вещи ещё только предстоит изобрести. Мы даже не говорим выпустить и установить. В своё оправдание разработки выдвигают аргумент, что будущий Интернет будет гибридным, сочетая обычный Интернет и квантовый. Это позволяет вовлечь в процесс разработки новых технологий и нового оборудования широкие массы разработчиков, чтобы со временем создать нечто революционное.

«Цифровой Интернет будет основой, а когда он объединится с квантовым Интернетом, результатом станет гетерогенная вычислительная сеть невероятной мощности и потенциала». Сюда же можно добавить, что это должны быть сети, которые нельзя взломать. Также квантовый Интернет должен будет предоставить возможность распределённых квантовых вычислений или возможность кластерной работы удалённых квантовых вычислителей. Но с этого места мы вторгаемся в сферу смелой научной фантастики, а это не наш жанр.

Даже Индия инвестировала в квантовые вычисления более $1 млрд

Правительство Индии объявило о намерении в ближайшие пять лет инвестировать 80 млрд рупий (приблизительно $1,12 млрд) в исследования в сфере квантовых вычислений. Министр финансов Индии Нирмала Ситхараман (Nirmala Sitharaman) заявила о том, что инвестиции будут способствовать исследованиям в рамках координации квантовых технологий и прикладных национальных проектов.

Стоит сказать о том, что ранее некоторые страны уже начали исследования в сфере квантовых вычислений. В 2016 году Европейская комиссия объявила о выделении €1 млрд на реализацию проектов в области квантовых вычислений. В 2018 году президент США Дональд Трамп (Donald Trump) подписал законопроект, в рамках которого на аналогичную деятельность было выделено $1,2 млрд. В то же время Китай объявил о планах по инвестированию $2 млрд в исследования в сфере квантовых вычислений. Некоторые другие страны, такие как Япония, Германия и Канада, также работают в данном направлении.

В отличии от других стран, у Индии не так много опыта в этой сфере. В прошлом году Министерство науки и технологий организовало исследовательский проект под названием «Квантовое расширение прав и возможностей науки и технологий» на базе института в городе Хайдарабад, на реализацию которого было выделено 800 млн рупий, что приблизительно равно $11,2 млн. Хотя Индия только начинает участвовать в квантовых исследования, крупные компании, такие как IBM и Google, уже борются за лидирующие позиции в данном направлении. Возможно, чтобы идти в ногу с другими странами Индия будет реализовывать совместные проекты с компаниями, которые преуспели в сфере квантовых вычислений.

Toshiba разработала «квантовые» алгоритмы для запуска на современных компьютерах

Как недавно выяснилось, компании Toshiba не нужно ждать появления квантовых вычислительных систем, чтобы уже сегодня начать решать немыслимые для выполнения на современных компьютерах задачи. Для этого в Toshiba разработаны программные алгоритмы, аналогов которым нет ни у кого.

Впервые описание алгоритма было опубликовано в статье на сайте Science Advances в апреле 2019 года. Тогда, если верить сообщениям, многие эксперты со скептицизмом встретили заявление Toshiba. А суть этого заявления в том, что для решения ряда специфических задач, о которых мы скажем ниже, подойдёт обычное компьютерное «железо» ― серверное, для ПК или связки из видеокарт ― которое будет решать задачи до 10 раз быстрее, чем оптический квантовый компьютер.

После публикации статьи в течение 2019 года Toshiba провела ряд симуляций с использованием «квантового» алгоритма. Как отчитались в компании, на стенде на основе матрицы ПЛИС с 2000 узлами (которые играли роль переменных) и примерно 2 млн межузловых соединений решение вычислялось за 0,5 с. Запуск поиска решения на лазерном (оптическом) квантовом симуляторе решал задачу в 10 раз медленнее.

Эксперименты по симуляции арбитража в валютном трейдинге дали решение всего за 30 миллисекунд с 90-процентной вероятностью совершения прибыльной сделки. Надо ли говорить, что разработка сразу же заинтересовала финансовые круги?

И всё же, Toshiba пока не спешит предоставлять коммерческие услуги с использованием «квантовых» алгоритмов. Если верить декабрьскому сообщению Nikkei, Toshiba планирует создать дочернюю компанию для практического тестирования разработанных алгоритмов в сфере моментальных сделок на валютных биржах. Заодно немного заработает, если алгоритм настолько хорош, как про него рассказывают.

Что касается самого алгоритма, то он представляет собой моделирование (симуляцию) разветвлений или бифуркационные явления в сочетании с такими аналогами в классической механике, как адиабатические и эргодические процессы. Иначе и быть не может. Апеллировать напрямую к квантовой механике алгоритм не может, поскольку работает на классических ПК с фон-неймановской логикой.

Адиабатические процессы в термодинамике подразумевают непроходимые наружу или замкнутые в себе процессы, а эргодичность означает, что систему можно описать по наблюдению за одним из её элементов. В целом алгоритм ищет решения по так называемой комбинаторной оптимизации, когда из великого множества переменных нужно найти несколько оптимальных комбинаций. Прямым вычислением такие задачи решить невозможно. К таким задачам относится логистика, молекулярная химия, трейдинг и многое другое полезное и интересное. Широкое практическое применение своих алгоритмов Toshiba обещает начать в 2021 году. Она не желает ждать 10 или больше лет до появления квантовых компьютеров, чтобы решать «квантовые» задачи.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥