Французский центр исследований CEA-Leti сообщил, что бывшие научные сотрудники учреждения образовали стартап Siquance, который обещает создать квантовый компьютер на базе решений, которые может дать современное производство полупроводников. Для этого необходимо «всего лишь» создать транзистор для работы с кубитами, а не битами. Несмотря на сложность задачи, пути для её решения уже предложены и по ним пойдут в новой компании.

Генеральный директор Siquance Мод Вине (Maud Vinet). Источник изображения: CEA-Leti

Стартап Siquance получил финансовую и патентную поддержку CEA-Leti и Национального центра научных исследований Франции (CNRS). Все главные роли в стартапе играют выходцы из CEA и CNRS, имеющие как научный опыт в области квантовых наук, так и практический опыт в производстве полупроводников. Центр CEA-Leti располагает собственным производством по обработке кремниевых пластин и десятилетиями служил и продолжает служить полигоном для разработки совершенных техпроцессов по выпуску чипов.

Вариант кубита из кремния. Источник изображения: CEA-Leti

В представлении основателей компании Siquance они станут источником будущего прорыва Франции и ЕС в области квантовых вычислителей и устранят пропасть между квантовой наукой в Европе и США, а также разрыв в этой сфере с Китаем.

Согласно планам Siquance, квантовые вычислители современности должны строиться на современном производстве полупроводниковых решений. Это обеспечит доступность и масштабируемость платформ. По крайней мере, коммерциализация квантовых систем на кремниевых чипах с транзисторами выглядит понятнее и привлекательнее, чем на установках со сверхпроводящими кубитами или оптическими ловушками, вышедшими словно из лаборатории «сумасшедшего учёного».

Часть кремниевого компьютера на сверхпроводящих кубитах

Компания Siquance продолжит НИОКР совместно с CEA и CNRS. О результатах обещают регулярно сообщать.

Американские физики смогли поставить эксперимент, который обещает в итоге создать «теорию всего» — объединить все известные фундаментальные взаимодействия одной теорией. Сегодня на этом пути остаётся один барьер — невозможность связать теорию гравитации с квантовой физикой. Учёные предложили использовать для этого квантовый компьютер. Начали они с простого эксперимента, ведь если получится в малом масштабе, может получиться и в большом.

Источник изображения: Andrew Mueller/INQNET

Эксперимент проводился на квантовом компьютере Google Sycamore 2. В опыте были задействованы всего 9 кубитов из доступных 72. Сделано это было ради снижения уровня шума (ошибок). Более того, вычислительная или симулятивная часть была возложена на 7 кубитов из 9, а два других служили входом и выходом из «червоточины». Симуляция воспроизводила ситуацию, как если бы в одну из чёрных дыр что-то падало и тут же возникало на выходе из другой далеко отстоящей от первой чёрной дыры.

Важно отметить, что никаких миниатюрных чёрных дыр на квантовой системе не создавалось. Алгоритм лишь воспроизводил сильно упрощённую модель поведения одной из подсистем теории голографического принципа квантовой гравитации, а именно модели Сачдева-Йе-Китаева (SYK). Одна система SYK, смоделированная кубитами, представляла вход «червоточины», а другая — выход.

В основе предложенной идеи лежит математически доказанное предположение, что запутывание кубитов имеет отношение к гравитационному взаимодействию. Если это так, то квантовая телепортация происходит через «червоточины». Эксперимент на квантовом процессоре Google показал, что информация «телепортируется» сквозь пару связанных «чёрных дыр»: поданный на вход сигнал мгновенно воспроизводится на выходе.

Строго говоря, эксперимент не привнёс в науку ничего нового. С тем же успехом можно было взять в руки мелок и нарисовать на асфальте кротовую нору из двух чёрных дыр, как вы себе это представляете. И всё же, учёные сделали шаг вперёд в развитии науки — они на практике доказали, что невообразимые простому разуму квантовые законы доступны для моделирования на квантовых системах. По мере совершенствования таких систем модели и симуляции будут всё сложнее и сложнее, пока не случится тот прорыв, который позволит человеку понять природу всего.

Покупателями первых телефонов с квантовой связью, выпускаемых компанией «ИнфоТеКС» и оценённых ориентировочно в 40 млн рублей, могут стать РЖД и «Газпром». Внедрение таких устройств связи может состояться уже в следующем году и позволит существенно повысить конфиденциальность переговоров.

Источник изображения: FLY:D/unsplash.com

Как сообщает РБК, фактически квантовые телефоны ViPNet QSS представляют собой комплексы, включающие сервер или рабочую станцию с интегрированной квантовой системой выработки и распределения ключей и IP-телефон с интегрированным средством криптографической защиты информации. Для звонка необходимо наличие у собеседника аналогичной системы. Обе должны быть подключены к распределительному узлу квантовой сети по линиям связи с «тёмной» оптикой и заданными характеристиками. Хотя такая связь обеспечивает повышенную защиту информации, считается, что она чувствительна к перепадам температуры, сейсмической активности и ряду других факторов.

Непосредственным производством комплексов занимается компания «ИнфоТеКС», а разработчиком выступает Центр компетенций НТИ на базе МГУ им. М.В. Ломоносова. По словам заместителя генерального директора «ИнфоТеКСа» Дмитрия Гусева, первыми покупателями систем, вероятно, станут РЖД и «Газпром», уже проводящие испытание технологии.

Первая версия квантового телефона была представлена ещё в 2017 году, тогда же МГУ и «ИнфоТеКС» получили субсидию на создание соответствующей аппаратуры. В мае 2019 года состоялся сеанс квантово-защищённой связи, но на тот момент «интерес потенциальных заказчиков ещё не успел оформиться в готовность приобрести подобные продукты». Если раньше сообщалось, что инвестиции «ИнфоТеКСа» в проект составят около 700 млн рублей, а сами системы будут стоить по 30 млн рублей, то теперь цены изменились.

Известно, что на сертификацию квантово-криптографической системы ушло около двух лет — теперь система допущена к продаже и поддерживает голосовые беседы и передачу файлов , а очень скоро появится и возможность видеоконференцсвязи.

Источник изображения: Sigmund/unsplash.com

Достоверных данных о стоимости одного комплекса нет, но источники РБК сообщают о 40 млн рублей, а Дмитрий Гусев ограничился примером, согласно которому защита одного сегмента квантовой сети протяжённостью около 100 км будет стоить «несколько десятков миллионов рублей», но при масштабировании проекта стоимость будет снижаться.

При этом он отметил, что госструктуры могут использовать сертифицированные средства защиты информации, а прочие потенциальные клиенты в теории могли бы применять зарубежные квантовые решения при их появлении, но вряд ли кто-то будет готов продавать их российским компаниям из-за санкций.

В РЖД и «Газпроме» новости не комментируют. Известно, что компании проявляли повышенный интерес к соответствующим решениям ещё пару лет назад. По мнению Гусева, в следующем году может появиться до десяти клиентов, внедривших телефоны производства «ИнфоТеКСа». Вероятно и дальнейшее масштабирование сети, на которой тестировалась технология — квантовые телефоны соединяют кампусы МГУ на Ленинских горах и Моховой улице и головной офис «ИнфоТеКСа» в Отрадном. Не исключено, что в будущем к сети подключатся и другие участники.

Возможно использование квантовых телефонов крупными нефтегазовыми, энергетическими и телекоммуникационными компаниями, а также спецслужбами страны и другими ведомствами, для которых секретность имеет критическое значение. В перспективе же система может быть востребована и банками, медицинскими, транспортными и другими учреждениями. Известно, что помимо «Газпрома» и РЖД, интерес к технологии проявляли в «Ростелекоме», «Росатоме» и Сбере.

В 2021 году сообщалось о начале работы между Москвой и Санкт-Петербургом линии защищённой квантовой связи протяжённостью около 700 км, в создании которой участвовали Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, ООО «Специальный технологический центр», ООО «СМАРТС-Кванттелеком» и ООО «Амикон».

Учёные из НИТУ МИСИС и МФТИ впервые в России создали полностью функциональный квантовый процессор с четырьмя кубитами и продемонстрировали на нём точность выполнения двухкубитных операций CZ более 97 %. Следующим шагом станет разработка 8-кубитных симуляторов и процессоров, что обещает подтолкнуть российских разработчиков к реализации более мощных квантовых вычислителей.

Источник изображений: НИТУ МИСИС

В основе эксперимента лежала созданная в Лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ сверхпроводниковая интегральная квантовая микросхема КИМС. Чип содержит пять ёмкостно шунтированных зарядовых сверхпроводящих кубитов, один из которых в данном эксперименте не использовался. Кубиты электрически связаны друг с другом и могут как обмениваться энергией, так и управляемо изменять друг у друга фазу суперпозиций состояний |0⟩ и |1⟩.

Сверхпроводящие кубиты и их конкретное воплощение в виде трансмонов широко используются при создании квантовых вычислителей. Например, трансмоны лежат в основе квантовых компьютеров компаний IBM и Google. В МФТИ также используют этот тип сверхпроводимых элементов, на основе которых спроектировали и изготовили пятикубитный процессор.

Опытный квантовый процессор КИМС МФТИ использует способность кубитов изменять друг у друга фазу суперпозиций состояний для реализации операции CZ — двухкубитной операции, в ходе которой один кубит контролирует поворот другого кубита, что приводит их в состояние квантовой запутанности. Поскольку операция управляемая, это открывает простор для исполнения ряда квантовых алгоритмов, один из которых российские физики успешно и впервые в стране продемонстрировали на четырёхкубитном отечественном квантовом процессоре.

«Для реализации неразрушающего считывания кубитов посредством индивидуальных микроволновых резонаторов исследователи использовали широкополосный джозефсоновский параметрический усилитель, совместно разработанный учеными МФТИ и МИСИС», — сказано в пресс-релизе НИТУ МИСИС.

На представленном изображении ёмкость одного из кубитов представлена зелёным цветом, цепочка резонаторов для индивидуального считывания — красным, индивидуальные управляющие потоковые линии — синим и антенны — жёлтым. Программный код для выполнения алгоритмов создан в НИТУ МИСИС.

«Нам удалось показать высокоэффективные квантовые операции на системе 4-х кубитов, что является уникальным достижением для российских квантовых технологий. В проведенном эксперименте время отдельной логической операции составляет около 0,025 мкс. Это позволяет реализовать более 3200 операций за время жизни квантового состояния процессора. При изготовлении квантовой интегральной микросхемы технологами из МФТИ были отработаны важные особенности технологического процесса, что позволило нам существенно улучшить ключевые характеристики кубитов», — рассказал заведующий Лабораторией искусственных квантовых систем МФТИ Олег Астафьев.

Успешное проведение подобного эксперимента наглядно подтверждает, что уровень развития технологии и экспериментальной базы, достигнутый при сотрудничестве учёных МФТИ и МИСИС достаточен для реализации среднемасштабных квантовых устройств без коррекции ошибок, что они берутся доказать в будущем в процессе создания 8-кубитовых и более мощных квантовых вычислителей.

Группа китайских учёных перенесла на квантовый уровень принцип работы четырёхтактного двигателя. Разработка обещает сказать новое слово в создании нанороботов атомарного масштаба. Учёные пока не сошлись в едином мнении о сути процессов, однако публикация в журнале Nature Communications однозначно говорит о потенциале работы.

Источник изображения: Pixabay

Считалось, что чем сильнее проявляются квантовые свойства ионов, тем выше эффективность молекулярного теплового двигателя. Исследователи из Гуанчжоуского института промышленных технологий, Чжэнчжоуского университета и Мичиганского университета показали, что эффект зависит не только от «накачки» иона, но также от умелого подавления его квантовых характеристик. Точнее, для наиболее эффективной работы — выделения энергии ионом — требуется комбинировать как возбуждение, так и подавление ряда его квантовых характеристик.

Исследователи воздействовали на ион кальция лазерным излучением разной интенсивности и разной частоты. При этом интенсивность выделения энергии ионом в виде потока фотонов менялась таким образом, что наибольший КПД был отмечен в режиме «четырёхтактного» двигателя, когда «нагрев» и «охлаждение» чередовались в определенном порядке. До этого о росте КПД с использованием подавления квантовых свойств ионов ничего не было известно.

«Наше исследование в основном направлено на демонстрацию. Для того чтобы действительно производить пригодные для использования молекулярные двигатели или обеспечивать энергией нанороботов, нам необходимо найти подходящую рабочую среду, подобно водяному пару в паровом двигателе», — говорится в заметке об изобретении в издании SCMP.

Такая условная среда была обнаружена в процессе разностороннего воздействия на ион кальция с помощью лазера. Конечно же, это не пар. Это комплекс явлений, в котором энергия извне (с помощью лазера) трансформируется в локальную работу. Теперь учёным необходимо придумать, как использовать это явление на практике, а также обнаружить наиболее эффективные режимы облучения для выработки максимального КПД, как при «нагреве», так и при «охлаждении».

Экспериментально и самим фактом существования квантовых вычислителей убедительно доказано, что квантовая физика работает совсем не так, как то, что мы видим и ощущаем вокруг себя в обычном мире. Сложно понять, как единица информации может быть одновременно любым значением между 0 и 1, но в квантовом мире это так. И если существуют суперпозиции состояний, то почему бы не существовать суперпозициям процессов, подумали учёные? Например, будущего и прошлого.

Источник изображения: Pixabay

На сайте ArXiv появились две научные статьи, поводом для написания которых стали эксперименты с обратимым вектором времени в мире квантовых частиц. Две независимые группы учёных — одна из Оксфордского университета, а другая из Венского университета — в серии экспериментов доказали, что фотон можно привести в состояние суперпозиции процессов, идущих в противоположных направлениях времени. Сразу уточним, что это не путешествие во времени. Однако это может фундаментально изменить представление о течении времени на квантовом уровне, что обещает привести к удивительным открытиям в физике.

В одном из экспериментов фотон был помещен в суперпозицию процессов, когда он двигался через кристалл. Поскольку фотоны не имеют массы, они слабо взаимодействуют с веществом. Это, а также способность фотонов расщепляться в довольно редких процессах позволило сначала математически, а затем экспериментально показать, что фотон может двигаться в кристалле одновременно слева направо, и справа налево. Проще говоря, процессы оказались в суперпозиции, что эквивалентно суперпозиции времени.

Строго говоря, во «встречных потоках времени» двигались две виртуальные частицы, которые были одним реальным фотоном. Учёные измеряли поляризацию фотонов на обоих выходах из кристалла и статистически доказали, что квантовые перевороты времени проявляют себя с большой вероятностью. С настолько большой, что эти процессы можно взять на вооружение, например, при создании квантовых логических элементов.

Как открытие повлияет на будущее квантовых вычислителей, сегодня никто не берётся судить, но простор для этого определённо открывается. Также открываются новые горизонты для пересмотра множества других теорий в квантовой физике, самой значительной из которых может считаться теория гравитационного взаимодействия.

Компания IBM на мероприятии IBM Quantum Summit 2022 представила самый мощный и совершенный на сегодня квантовый процессор Osprey с более чем 400 кубитами. Решение обещает сравнительно компактные стойки с беспрецедентными вычислительными возможностями. Первая система нового поколения — компьютер IBM Quantum System Two — появится примерно через год и станет единственной в своём роде.

Источник изображений: IBM

По словам IBM, количество классических битов, необходимых для представления состояния в процессоре IBM Osprey, намного превышает общее количество атомов в известной Вселенной. В это тяжело поверить, но законы квантовой физики допускают такое толкование. Другое дело, что грамотно распорядиться новыми возможностями пока никто не в состоянии. Исследователи всё ещё ломают голову над квантовыми алгоритмами и их практической ценностью. Пока у нас в руках фактически симуляторы определённых физических процессов, которые подходят для моделирования ограниченного числа явлений и совершенно не годятся для классических расчётов.

Новый процессор IBM Osprey стал продолжением развития новой архитектуры квантовых процессоров IBM. Примерно год назад компания представила процессор Eagle со 127 кубитами. Он стал своего рода испытательной площадкой для нового направления квантовых процессоров IBM. Процессор Eagle стал воплощением идеи бесконечного масштабирования кубитов, которую сегодня очень и очень трудно реализовать на современном уровне развития науки и техники.

Главным барьером для масштабирования остаётся необходимость охлаждать кубиты до сверхнизких температур, а криогенные камеры не резиновые. В IBM смогли создать архитектуру кубитов с очень плотным размещением как самих кубитов, так и узлов для определения и смены их индивидуальных квантовых состояний (чтения и записи, если понятнее). Новые процессоры представляют собой многослойную структуру с минимум тремя ключевыми уровнями: один с кубитами, другой с элементами для чтения и третий с элементами для записи.

Кроме того, в компании разработали сигнальный интерфейс с мультиплексированием, что ещё сильнее уменьшило количество необходимых для работы квантовых процессоров сигнальных линий. Как результат, в одну сравнительно небольшую стойку можно установить более одного процессора IBM Osprey и это не будет выглядеть как творение паука-переростка.

Анонс нового процессора и будущей масштабируемой системы IBM Quantum System Two поддержан рядом программных инноваций. В частности, компания выпустила бета-версию программы Qiskit Runtime, которая теперь позволяет с помощью простой опции в API выбирать либо скорость квантовых вычислений, либо точность.

Обезопасить квантовые и классические системы от взлома со стороны таких же квантовых систем позволит программное решение IBM Quantum Safe. Рано или поздно у злоумышленников появятся квантовые компьютеры и к этому надо быть готовым заранее.

Группа физиков из Университета Квинсленда провела компьютерное моделирование, которое теоретически обосновало наличие у чёрных дыр квантовых свойств. Учёные взяли самую легко вычисляемую и неотъемлемую характеристику чёрной дыры — её массу, и показали, что чёрная дыра может быть одновременно тяжёлой как миллионы солнц и лёгкой как атом. Совсем как легендарный кот Шрёдингера, который и жив и мёртв одновременно.

Источник изображения: NightCafe Creator AI

Гипотезу о дискретных значениях масс чёрных дыр (точнее, допустимых диапазонов масс подобно наличию энергетических уровней электронных орбит), в своё время выдвинул американо-израильский физик-теоретик Яаков Давид Бекенштейн. Новое исследование во многом подтвердило его теорию — математически у чёрных дыр действительно оказался чётко выраженный диапазон допустимых масс. Но что более важно, теоретический эксперимент показал суперпозицию по массам. Проще говоря, чёрные дыры с точки зрения математики (которая никогда не ошибается), имеют разные массы одновременно.

«Мы хотели выяснить, могут ли [чёрные дыры] одновременно иметь дико разные массы, и оказалось, что да, — сказал ведущий автор исследования Джошуа Фу (Joshua Foo), доктор физико-математических наук из Квинслендского университета. — До сих пор мы глубоко не исследовали, демонстрируют ли чёрные дыры некоторые из странных и удивительных свойств квантовой физики».

Если чёрные дыры обладают квантовыми свойствами в отношении масс, то им присущи и другие квантовые свойства. Звучит интригующе, ведь мы до сих пор были уверены, что пересечение мира субатомных частиц с его квантовой механикой невозможно с тем миром, который мы видим и осязаем вокруг себя тем или иным образом. Оказалось, хотя это пока только математика, макрообъекты потенциально могут быть одновременно и живы и мертвы, создавать квантовую запутанность и, как следствие, проявлять квантовую телепортацию.

Британский стартап Quantum Motion показал квантовый чип с 1024 кубитами, для производства которого прекрасно подошли современные техпроцессы и линии для выпуска полупроводников. Чип изготовлен на обычной 300-мм пластине на линиях неназванной компании. Предложенное решение обещает беспрецедентное масштабирование кубитов и простоту управления ими, хотя разработчики честно сообщают, что до появления универсальных квантовых компьютеров может пройти до 20 лет.

Квантовый чип Bloomsbury (нажмите для увеличения). Источник изображения: theregister.com

Компания Quantum Motion занимается направлением так называемых спиновых кубитов. Здесь производство кремниевых чипов подходит максимально хорошо. На подложке создаются ловушки для одиночных электронов, спины которых определяют квантовые состояния этих частиц. Они же играют роль кубитов, которыми можно управлять и которые можно считывать. Например, спиновые кубиты на 300-мм кремниевых подложках также научилась воспроизводить компания Intel, хотя за много лет дальше 2-кубитовых решений она так и не продвинулась. На этом фоне 1024-кубитовый чип Quantum Motion выглядит настоящим прорывом. Другое дело, является ли он таковым по сути?

«Когда вы говорите "квантовый компьютер общего назначения" или "крупномасштабный квантовый компьютер", это зависит от того, что вы имеете в виду, — сказал технический директор компании Quantum Machines Йонатан Коэн (Yonatan Cohen). — Если вы хотите достичь того, что называется отказоустойчивым крупномасштабным квантовым компьютером, я бы сказал, что на это потребуется от 10 до 15 или, может быть, 20 лет. И именно тогда мы действительно сможем использовать весь потенциал квантового компьютера, как, например, алгоритм Шора, который взламывает код RSA».

В чём же прорыв разработки Quantum Motion? Как и в случае других подобных решений, полупроводниковый квантовый чип помещается в криогенную камеру. Традиционно каждый кубит в такой камере управляется множеством сигнальных каналов. Очень уж сложные схемы для считывания и установки квантовых состояний, которые легко изменить любым шумом. Разработчики из Великобритании и США придумали простую систему управления спиновыми кубитами, которая для 1024-кубитового чипа требует всего 9 проводников. Это открывает путь к масштабированию, но как оно будет на практике, остаётся только догадываться.

Также в компании показали, что современное производство полупроводников в принципе годится для выпуска квантовых процессоров. На одном 0,1 мм² чипа Bloomsbury она смогла разместить 1024 квантовые «точки», квантовыми состояниями которых она смогла управлять.

В самой компании Quantum Motion не собираются разрабатывать квантовые процессоры, что говорит о целом ряде проблем, которые ещё решать и решать. Компания собирается сфокусироваться на аппаратной и программной инфраструктуре, необходимой для работы квантовых систем.

Администрация президента США изучает возможность введения новых мер экспортного контроля, которые ограничат доступ Китая к некоторым из самых передовых вычислительных технологий, таким как экспериментальная область квантовых вычислений и программное обеспечение для искусственного интеллекта.

Источник изображения: IBM

Эти меры, если они будут приняты, последуют за введёнными недавно ограничениями, которые направлены на ограничение возможностей Пекина по внедрению передовых полупроводниковых материалов в системы вооружения и наблюдения. Кроме этого, новые масштабные правила, принятые администрацией США в начале этого месяца, уже привели к ограничению участия американских граждан и резидентов в китайских технологических компаниях.

Советник по национальной безопасности Джейк Салливан (Jake Sullivan), выступая в прошлом месяце с речью о технологиях, конкурентоспособности и национальной безопасности, упомянул «технологии, связанные с вычислениями, включая микроэлектронику, квантовые информационные системы и искусственный интеллект», в числе разработок, которые «будут играть огромную роль в ближайшее десятилетие». Он также отметил важность экспортного контроля для «сохранения как можно большего превосходства» над потенциальными противниками.

Источник изображения: Jim Lo Scalzo/EPA/Bloomberg

Квантовые вычисления — это новые технологии, способные значительно увеличить мощность и скорость вычислений, позволяя решать задачи, которые не под силу нынешнему поколению компьютеров. Ожидается, что в будущем они изменят технологию компьютерной безопасности, поскольку квантовые машины могут быть достаточно мощными, чтобы расшифровывать любые пароли и обходить средства защиты шифрования.

В настоящий момент администрация Байдена работает над указом о создании механизма проверки инвестиций, направляемых в определенные китайские технологии, и в список ограничиваемых технологий могут попасть квантовые вычисления и программное обеспечение для искусственного интеллекта.

На фоне действий администрации США, которая всё больше наращивает стену вокруг своих передовых технологий, акции технологических компаний в Китае продолжают падать. Акции китайских производителей оборудования Naura Technology и ACM Research упали на 6,1 % и 8,7 % соответственно, а акции компании Piotech снизились в цене на целых 13 %.

Бюро промышленности и безопасности Министерства торговли, которое играет ключевую роль в разработке и обеспечении соблюдения экспортного контроля, отказалось от комментариев. По словам представителя Совета национальной безопасности Белого дома, ему ничего не известно об обсуждении дополнительных санкций.

Инженеры Научно-исследовательского института Флэтайрон (Flatiron Institute) заявили, что им удалось создать новое состояние материи — для этого на квантовый компьютер в Колорадо направлялись лазерные импульсы в последовательности Фибоначчи. Особенности этой последовательности обеспечили стабильность этого состояния на протяжении всего эксперимента.

Источник изображения: simonsfoundation.org

Подобно тому, как обычное вещество может пребывать в твёрдом, жидком газообразном или плазменном состоянии, квантовая материя также имеет свои фазы. Квантовое состояние вещества описывает его поведение на уровне частиц — атомов или электронов. Несколько лет назад физики открыли квантовое сверхтвёрдое тело, а в прошлом году подтвердилось существование предсказанной ранее квантовой спиновой жидкости. Теперь учёные утверждают, что им удалось обнаружить ещё одно квантовое состояние материи.

Квантовые биты или кубиты похожи на электронные тем, что могут принимать значение «0» или «1» либо принимать их одновременно в суперпозиции, что позволяет квантовым компьютерам обрабатывать возможные решения поставленных задач намного быстрее традиционных компьютеров. Когда-нибудь они смогут решать задачи, которые вообще недоступны классическим вычислительным машинам.

Кубиты часто представляются в виде атомов — в описываемом исследовании учёные работали с 10 ионами иттербия (химический элемент), которые контролировались электрическими полями и управлялись с помощью лазерных импульсов. При описании кубитов относительно друг друга они считаются запутанными. Запутанность — их особая взаимосвязь, которая исчезает, когда значение любого из кубитов становится определенным: система теряет когерентность, и квантовая операция прерывается. Поэтому поддержание квантового состояния кубитов является важнейшей задачей квантовых вычислений — его могут нарушить малейшие колебания температуры, электромагнитных полей или механическая вибрация.

При помощи периодических лазерных импульсов учёные Флэтайрона удерживали квантовое состояние 10 иттербиевых кубитов в течение 1,5 секунды. Однако при отправке импульсов в последовательности Фибоначчи им удалось сохранить крайние кубиты в нужном состоянии на протяжении 5,5 секунды — это время можно было дополнительно увеличить, однако столько длился эксперимент. Лазерные импульсы в последовательности Фибоначчи подобны двум частотам, которые никогда не совпадают — это своего рода квазикристалл, то есть упорядоченный, но не периодичный узор.

Каждое число в последовательности Фибоначчи равняется сумме двух предыдущих (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13 и т. д.) — её история насчитывает более двух тысяч лет и связана с так называемым золотым сечением. Как выяснилось, она применима и в квантовых вычислениях. Обстрел кубитов периодическими лазерными импульсами (формата A-B-A-B) продлить квантовое состояние системы не смог. А с использованием последовательности Фибоначчи (A-AB-ABA-ABAAB и т. д.) получилась квазипериодическая схема, которая помогла избавиться от ошибок на крайних кубитах — наиболее удалённых от центра конфигурации в каждый момент времени.

Долгие годы спекуляции на тему квантовых процессов в работе головного мозга оставались бездоказательными. Новое исследование вносит значительную долю уверенности в том, что мысли человека имеют не классическую, а квантовую природу. Это объясняет, например, превосходство разума над компьютером при решении широкого спектра задач и обещает новый путь к созданию квантовых вычислителей.

Источник изображения: Pixabay

Обнаружить квантовые явления в мозге человека помогло построение теории квантовой гравитации. Учёные давно пытаются «подружить» квантовую механику и общую теорию относительности, чтобы создать «теорию всего». Для этого, в частности, необходимо описать гравитационное взаимодействие с позиций квантовой механики. Один из подходов гласит, что неизвестная система может считаться квантовой, если она служит посредником между двумя известными квантовыми системами. Иначе говоря, «квантовость» неизвестной системы определяется опосредованно.

Точно так же наше сознание — мыслительные процессы и деятельность головного мозга — может быть опосредованно определено как квантовое. Для этого учёные из Тринити-колледжа в Дублине провели ряд экспериментов по запутыванию спинов протонов в «мозговой жидкости» — жидкой среде, образующейся в головном мозге в процессе его жизнедеятельности.

С помощью МРТ (магнитно-резонансной томографии) можно определить спины протонов в мозговой жидкости. Модифицированная МРТ-установка способна обнаруживать протоны с запутанными спинами. Поиск запутанных спинов дал сигналы МРТ, которые напоминали сигналы управления сердечной мышцей (сердцебиением) на электроэнцефалограмме (ЭЭГ). Нюанс в том, что МРТ обычно не улавливает эти сигналы. Учёные считают, что данные ЭЭГ на МРТ отобразились за счёт обнаружения запутанных спинов, а посредником в запутывании стала активность головного мозга.

«Если запутывание является единственным возможным объяснением, то это означает, что мозговые процессы должны были взаимодействовать с ядерными спинами, опосредуя запутывание между ними. В результате мы можем сделать вывод, что эти функции мозга должны быть квантовыми», — делают выводы авторы статьи.

Компания IBM сообщила, что совместно с медицинской компанией Cleveland Clinic начала развёртывать первый в США коммерческий квантовый компьютер. Установка IBM Quantum System One начнёт работать в начале 2023 года. Она поможет ускорить разработку новых лекарств и много другого, что придаст резкий толчок исследованиям в области медицины и биотехнологий.

Источник изображений: IBM

«Мы не можем позволить себе продолжать тратить десятилетие или больше на то, чтобы пройти путь от исследовательской идеи в лаборатории до вывода препаратов на рынок. Квантовые технологии предлагают будущее, чтобы изменить этот темп, особенно в области открытия лекарств и машинного обучения», — сказала Лара Джехи (Lara Jehi), доктор медицинских наук и главный директор по научной информации Cleveland Clinic.

IBM Q System One

До этого момента IBM устанавливала свои «первые в мире коммерческие квантовые системы» Quantum System One только в научных учреждениях: по одной в США, Германии, Японии и Южной Корее. В оригинале это система на 20 сверхпроводящих кубитах, одновременно запутанными из которых могут быть только несколько из них. В Японию уехала 27-кубитовая система. В Южной Корее, вероятно, также был установлен 27-кубитовый компьютер Quantum System One. О возможностях установки для Cleveland Clinic не сообщается.

IBM Q System One. Вид под защитным кожухом.

Cleveland Clinic как один из крупнейших в США медицинских центров систематически сотрудничает с IBM около 10 лет. В рамках совместной деятельности на базе объектов компании создан центр Discovery Accelerator, где используют передовые вычислительные технологии IBM для ускорения важнейших исследований в области лечения и вакцин. Это облака, ИИ, машинное обучение и многое другое, что обещает многократно сократить путь от идеи до готового результата. Квантовые вычислители станут новым и революционным инструментом для ускорения медицинских исследований, который может определить будущее здравоохранения.

На прошлой неделе президент США Джозеф Байден (Joseph Biden) выступил с двадцатиминутной речью на церемонии компании IBM по поводу выделения $20 млрд на развитие исследовательского центра в штате Нью-Йорк, который поможет ей продвинуться в сфере квантовых вычислений. В речи американского президента делался упор на развитие национальной промышленности и снижении зависимости от прочих стран в сфере высоких технологий.

Источник изображения: Peter Carr, The Journal News

Сперва Джозеф Байден начал вспоминать историю развития производства в штате Нью-Йорк, перебрав многие виды местной продукции, начиная с винтовок времён Первой мировой войны и заканчивая каплями от кашля, которые, по словам президента, даже были у него при себе в момент выступления. В дальнейшем он приветствовал решение IBM превратить Гудзонскую долину в «эпицентр будущего квантовых вычислений».

Некоторые из высказываний Джозефа Байдена звучали весьма амбициозно: «В ближайшие десять лет произойдёт больше изменений, чем за предыдущие сорок. Где написано, что мы не можем стать производственным центром мирового масштаба? Есть много причин для оптимизма». Подчёркивая возможности, которые открываются перед компаниями, решившимися создавать в США производства после принятия пакета законов о субсидировании подобной активности, президент страны заявил: «Цепочка поставок будет начинаться и заканчиваться здесь, в США».

В своей речи Байден также посетовал на сопротивление некоторых политических сил принятию соответствующего пакета законов, заподозрив Китай в лоббировании своих интересов. Подобная риторика была призвана продемонстрировать решимость властей США в усилении национального технологического суверенитета.

Некогда выпускавшая массовые персональные компьютеры американская корпорация IBM в последние годы сосредоточилась на разработке программного обеспечения и создании серверных систем для высокопроизводительных вычислений. Следуя примеру Intel и Micron, она тоже собирается претендовать на получение правительственных субсидий для развития своего кластера в штате Нью-Йорк, который будет специализироваться на квантовых вычислениях.

Как сообщает Reuters, в церемонии объявления о новых инвестициях в эту сферу на этой неделе примет участие президент США Джозеф Байден (Joseph Biden), который ради этого посетит штат Нью-Йорк и выступит в местечке Поукипси, где IBM проводит профильные исследования. Компанию Байдену составит и генеральный директор IBM Арвинд Кришна (Arvind Krishna). В планы компании входит превращение этой площадки в «мировой хаб разработок в сфере квантовых вычислений». На финансирование соответствующих нужд компанией IBM будет выделено $20 млрд. На субсидии какого размера она сможет претендовать, не уточняется.

В целом, представители IBM заявили, что финансирование национальной полупроводниковой отрасли США позволит надёжно обеспечить чипами следующего поколения современные компьютеры и системы искусственного интеллекта. Инвестиции в сумме $20 млрд будут растянуты на десять лет и охватят сферы разработки и производства полупроводниковых компонентов, а также технологии создания мейнфреймов, систем искусственного интеллекта и квантовых вычислений. Конкретная схема распределения средств между этими направлениями деятельности не приводится.