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.

Группа учёных под руководством Google сообщила о прорыве в области квантовых вычислений. Они снова продемонстрировали квантовое превосходство — способность квантового компьютера выполнять вычисления, на которые не способен классический, — но на этот раз сосредоточились на точности вычислений. Также учёные показали, что существуют фазовые переходы в вычислительных процессах, что открывает путь к дальнейшему развитию квантовых технологий.

Источник изображений: Google, Nature

Ещё в 2019 году Google заявляла о достижении квантового превосходства, вызвав бурные споры в научном сообществе. Тогда IBM подвергла сомнению этот результат, утверждая, что классические алгоритмы могут быть оптимизированы для решения аналогичных задач. В новой работе, опубликованной в журнале Nature, учёные описали эксперимент с использованием метода случайной выборки цепей (Random Circuit Sampling, RCS), в ходе которого 67-кубитная система выполнила 32 цикла вычислений. Акцент сделан не на квантовом превосходстве, а на том, что даже при наличии шумов — основного ограничения для квантовых процессоров и главной причины ошибок вычислений — можно добиться вычислительных успехов, которые превосходят возможности классических систем. Это доказывает, что квантовые вычисления приближаются к фазе практического применения.

Термин «квантовое превосходство» вызывает определённые споры в научном сообществе. Некоторые исследователи предпочитают использовать термины «квантовая полезность» (Quantum Utility) или «квантовое преимущество» (Quantum Advantage). Последний термин подразумевает не только теоретическое превосходство квантовых устройств, но и их практическую пользу. В отличие от квантового превосходства, которое не связано с реальной полезностью для задач, квантовое преимущество предполагает выполнение задач быстрее и эффективнее, чем на классических компьютерах.

Квантовые процессоры, несмотря на их потенциал, остаются чрезвычайно чувствительными к внешним шумам, таким как температурные колебания, магнитные поля или даже космическая радиация. Эти помехи могут существенно снижать точность вычислений. В исследовании Google учёные изучили влияние шума на работу квантовых устройств и провели эксперимент, который позволил исследовать два ключевых фазовых перехода: динамический переход, зависящий от числа циклов, и квантовый фазовый переход, влияющий на уровень ошибок. Результаты показали, что даже в условиях шума квантовые системы эпохи NISQ могут достичь вычислительной сложности, недоступной для классических систем.

Фазовые переходы в случайной выборке цепей (RCS). График иллюстрирует два фазовых перехода. Первый — от сосредоточенного распределения битовых строк на малом числе циклов к широкому или антиконцентрированному распределению. Второй — переход в условиях шума, при котором высокая ошибка на цикл приводит к переходу от системы с полной корреляцией к представлению в виде нескольких несвязанных подсистем

Метод случайной выборки цепей (RCS), использованный в эксперименте, ранее подвергался критике за свою простоту и кажущуюся бесполезность. Однако Google подчёркивает, что RCS является ключевым методом для перехода к задачам, которые невозможно решить на классических компьютерах. Этот метод оптимизирует квантовые корреляции с использованием операций типа iSWAP, что предотвращает упрощение классических эмуляций. Благодаря этому подходу Google смогла чётко обозначить границы возможностей квантовых систем, стимулируя конкуренцию между квантовыми и классическими вычислительными платформами.

В исследовании также рассматриваются перспективы практического использования квантовых процессоров. Одним из первых примеров может стать сертифицированное генерирование по-настоящему случайных чисел, требующее высокой вычислительной сложности и устойчивости к шумам. Серджио Бойксо (Sergio Boixo), руководитель квантовых исследований Google, в своём интервью для Nature отметил: «Если квантовые устройства не смогут продемонстрировать преимущество с помощью RCS, самого простого из примеров использования, то вряд ли они смогут это сделать в других задачах».

Дорожная карта развития квантовых вычислений Google

Работа Google представляет собой значительный вклад в развитие квантовых технологий. Хотя практическое применение квантовых устройств остаётся сложной задачей, такие направления, как сертифицированное генерирование случайных чисел, могут стать первым шагом к их коммерческому использованию. Несмотря на сложности, связанные с шумами, эксперименты Google показывают, что переход от теоретических исследований к практическому применению квантовых устройств становится всё более реальным.

50-кубитный квантовый ионный компьютер разработан научной группой Российского квантового центра и Физического института имени Лебедева РАН (ФИАН). На данный момент он является самым мощным квантовым компьютером в России. Доступ к нему осуществляется через облачную платформу. Разработка велась в рамках реализации дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления», координатором которой является госкорпорация «Росатом».

Источник изображений: atomic-energy.ru

Представленный квантовый компьютер базируется на уникальной кудитной технологии, которую российские учёные стали использовать третьими в мире, после Австрии и США. Впервые российский 16-кубитный компьютер был представлен в июле 2023 года на первом Форуме будущих технологий (ФБТ). На втором ФБТ в феврале 2023 года была продемонстрирована 20-кубитная машина. Менее чем за год после этого удалось увеличить количество кубитов до 50.

«За год мы полностью переделали ультрастабильный лазер и существенно модернизировали и систему адресации и считывания, поработали над стабильностью всех подсистем, автоматизировали многие калибровки. За счёт этого получилось в короткий срок поднять мощность нашего квантового компьютера и нарастить число кубит. Дальше мы планируем работать и над увеличением числа кубит, и над достоверностью двухкубитных операций. Всё это нужно для запуска более сложных квантовых алгоритмов. Потенциал для модернизации у нашей машины есть», — прокомментировал научный руководитель проекта Илья Семериков.

Эксперты полагают, что квантовые вычисления в первую очередь будут востребованы в фармацевтике для моделирования сложных соединений при создании новых лекарств. Квантовые вычисления помогут при прогнозировании эпидемий. Врачи смогут в кратчайшие сроки разработать персональные рекомендации для лечения с учётом конкретных симптомов и особенностей организма.

Квантовые вычисления обеспечат принципиально новые возможности при моделировании химических процессов, что безусловно будет востребовано в промышленном секторе. В логистических операциях использование квантовых компьютеров для составления оптимальных маршрутов и расписаний движения транспорта приведёт к сокращению задержек, удешевит и ускорит доставку грузов.

Аналитики уверены, что квантовые технологии радикально повысят возможности ИИ в области машинного обучения, распознавания и анализа, обработки больших данных при меньших энергозатратах. Постквантовое шифрование должно обеспечить необходимый уровень защиты персональных и конфиденциальных данных. В финансовом секторе квантовые вычисления помогут минимизировать риски и точнее оценить кредитоспособность клиента.

«Ионная платформа является в мире одной из главных по значимости в квантовых вычислениях. В ФИАНе полностью освоена технология создания квантового компьютера на ионах. Наша исследовательская группа смогла обеспечить высокие темпы развития квантового вычислителя до уровня в 50 кубитов, который позволяет проектировать его будущее применение в прикладных задачах экономики и сферы безопасности. Ожидается, что к 2030 году квантовые вычисления дополнят классические вычисления в решении большого ряда специфических задач, в том числе, позволят развивать квантовую химию и обеспечивать квантовое шифрование» — заявил Директор ФИАН Николай Колачевский.

«50 кубитов - это колоссальное достижение, особенно, учитывая, что 4 года назад лучшим результатом в России было 2 кубита, а ионное направление построено с нуля. Однако для нас это лишь первый шаг на пути к промышленному использованию квантовых вычислений. […] Мы верим, что уже через несколько лет отдельные отрасли смогут извлечь пользу от использования того самого квантового превосходства, и сделаем все, чтобы максимально упростить эту задачу», — считает сооснователь Российского квантового центра Руслан Юнусов. Ранее он озвучивал планы создания 100-кубитного квантового компьютера к 2030 году.

Россия наряду с США и Китаем сегодня входит в число стран, создавших квантовые компьютеры на всех четырёх приоритетных для квантовых вычислителей платформах: сверхпроводниках, ионах, нейтральных атомах и фотонах. И только шесть стран построили квантовые компьютеры с 50 кубитами и более: Китай, США, Канада, Россия, Япония и Франция.

На сегодняшний день практически все чувствительные данные в мире защищены схемой ассиметричного шифрования RSA (Rivest-Shamir-Adleman), которую практически невозможно взломать с помощью современных компьютеров. Но появление квантовых компьютеров может кардинально изменить ситуацию. Поэтому Национальный институт стандартов и технологий США (National Institute of Standards and Technology, NIST) представил три схемы шифрования постквантовой криптографии.

Источник изображений: unsplash.com

Новые стандарты должны стать важным элементом криптографической защиты данных. Предыдущие стандарты криптографии NIST, разработанные в 1970-х годах, используются практически во всех устройствах, включая интернет-маршрутизаторы, телефоны и ноутбуки. Руководитель группы криптографии NIST Лили Чен (Lily Chen) уверена в необходимости массовой миграции с RSA на новые методы шифрования: «Сегодня криптография с открытым ключом используется везде и во всех устройствах, наша задача — заменить протокол в каждом устройстве, что нелегко».

Хотя большинство экспертов считают, что крупномасштабные квантовые компьютеры не будут построены как минимум ещё десять лет, существуют две веские причины для беспокойства уже сегодня:

• Во-первых, многие устройства, использующие метод RSA, такие как автомобили или компоненты «умного дома», будут использоваться ещё как минимум десятилетие. Поэтому их необходимо оснастить квантово-безопасной криптографией, прежде чем они будут выпущены в эксплуатацию.
• Во-вторых, злоумышленник может сохранить зашифрованные данные сегодня и расшифровать их при появлении достаточно производительных квантовых компьютеров — концепция «собирай сейчас, расшифруй позже».

Поэтому эксперты по безопасности в различных отраслях призывают серьёзно относиться к угрозе, исходящей от квантовых компьютеров. Новые схемы шифрования основаны на понимании сильных и слабых сторон квантовых вычислений, так как квантовые компьютеры превосходят классические лишь в достаточно узком спектре задач. К квантово-устойчивым криптографическим методам относятся:

• Решётчатая криптография основана на геометрической задаче о кратчайшем векторе, которая требует найти точку, ближайшую к началу координат, что невероятно сложно сделать при большом количестве измерений.
• Изогональная криптография использует для шифрования эллиптические кривые, что обещает высокую устойчивость к дешифровке.
• Криптография на основе кода с возможностью исправления ошибок опирается на сложность восстановления структуры кода из сообщений, содержащих случайные ошибки.
• Криптография с открытым ключом на основе хеш-дерева позиционируется как развитие идей RSA.

На сегодняшний день наиболее перспективным методом NIST считает решётчатую криптографию. Институт ещё в 2016 году объявил публичный конкурс на лучший алгоритм постквантового шифрования. Было получено 82 заявки от команд разработчиков из 25 стран. С тех пор конкурс прошёл через четыре отборочных тура и в 2022 году завершился, назвав четыре победивших алгоритма. Были учтены мнения криптографического сообщества, промышленных и учёных кругов, а также заинтересованных государственных служб.

Четыре победивших алгоритма имели звучные названия: CRYSTALS-Kyber, CRYSTALS-Dilithium, Sphincs+ и FALCON, но после стандартизации получили типовое обозначение «Федеральный стандарт обработки информации» (Federal Information Processing Standard, FIPS) с номерами 203–206. Сегодня NIST объявил о стандартизации FIPS 203, 204 и 205. Ожидается, что FIPS 206 будет стандартизирован ближе к концу года. FIPS 203, 204 и 206 основаны на решётчатой криптографии, в то время как FIPS 205 — на хеш-функциях.

Стандарты включают компьютерный код алгоритмов шифрования, инструкции по его реализации и сценарии предполагаемого использования. Для каждого протокола существует три уровня безопасности, разработанные для обеспечения будущих стандартов в случае обнаружения в алгоритмах слабых мест или уязвимостей.

Ранее в этом году внимание криптографического сообщества привлекла публикация Или Чена (Yilei Chen) из Университета Цинхуа, которая утверждала, что решётчатая криптография на самом деле плохо защищена от квантовых атак. Но при дальнейшем рассмотрении силами сообщества в аргументации Чена были найдены ошибки, и авторитет решётчатой криптографии был восстановлен.

Этот инцидент подчеркнул базовую проблему, лежащую в основе всех криптографических схем: нет никаких доказательств того, что какие-либо из математических задач, на которых основаны схемы, на самом деле «сложные». Единственным реальным доказательством стойкости шифрования, даже для стандартных алгоритмов RSA, являются многочисленные неудачные попытки взлома в течение длительного времени.

Поскольку постквантовые стандарты криптографии пока очень «молоды», их стойкость постоянно подвергается сомнениям и попыткам взлома, причём каждая неудачная попытка только повышают доверие к ним. «Люди изо всех сил пытались взломать этот алгоритм. Многие люди пытаются, они очень стараются, и это на самом деле придаёт нам уверенности», — заявила по этому поводу Лили Чен.

Безусловно, представленные NIST новые стандарты постквантового шифрования актуальны, но работа по переводу на них всех устройств только началась. Потребуется длительное время и значительные средства, чтобы полностью защитить данные от дешифровки при помощи будущих квантовых компьютеров. Для примера, компания LGT Financial Services потратила 18 месяцев и около полумиллиона долларов лишь на частичное внедрение новых алгоритмов, а затраты на полный переход оценить затруднилась.

Международная группа учёных сообщила о создании основ для первой в мире квантовой памяти, работающей в рентгеновском диапазоне. В перспективе это позволит разработать более плотную и помехоустойчивую память для квантовых компьютеров, которые сегодня ограничены по времени для проведения квантовых операций. Переход на «рентгеновскую» память увеличит время хранения квантовых состояний, что приблизит практическую ценность квантовых вычислений.

Иллюстрация гребенки ядерных частот, отображающей одиночные фотоны, визуализированные в логарифмической шкале. Источник изображения: DESY/Sven Velten

Современные модели квантовой памяти, если говорить о фотонах, предполагают взаимодействие света и атомов. Некоторое время назад группа профессора Техасского университета A&M Ольги Кочаровской предложила перейти на новый способ хранения и высвобождения импульсов рентгеновского излучения на уровне одного фотона, когда фотон воздействует не на атом, а непосредственно на его ядро.

В новом исследовании группа учёных Техасского университета A&M (Texas A&M University) и их коллеги из Германии и Франции воспользовались теоретическими наработками группы Кочаровской и провели эксперимент, доказавший осуществимость идеи, о чём они сообщили в статье в журнале Science Advances.

Удержать неподвижно свет (фотон) — произвести своего рода запись информации — это трудноосуществимая задача. Сделать это можно с помощью таких квазистационарных состояний, как спиновая или поляризационная волна.

«Квантовая память является незаменимым элементом квантовой сети, обеспечивающим хранение и извлечение квантовой информации, — пояснила Кочаровская. — Фотоны являются быстрыми и надежными носителями квантовой информации, но их трудно удерживать в неподвижном состоянии на случай, если эта информация понадобится позже. Удобный способ добиться этого — запечатлеть эту информацию в квазистационарной среде в форме поляризационной или спиновой волны с большим временем когерентности и высвободить её обратно посредством повторного излучения исходных фотонов».

Идея была проверена с использованием синхротронных источников PETRA III в Немецком электронном синхротроне (DESY) в Гамбурге и Европейском центре синхротронного излучения во Франции, что привело к первой реализации квантовой памяти в диапазоне жёсткого рентгеновского излучения.

Эксперимент строился на создании частотной гребёнки в спектре поглощения. Рентгеновские импульсы со спектром поглощения, соответствующим этой гребёнке, как бы запоминались ядерными мишенями и могли быть переизлучены с определённой задержкой — как бы прочитаны. Перенос этого механизма, как сказано выше, произошёл в рентгеновский диапазон для воздействия на ядра атомов. Более мелкие ядра являются менее чувствительными к воздействию внешних магнитных полей и других возмущений, а квантовые состояния, как известно, всего этого боятся и разрушаются.

Следующие шаги, запланированные командой, включают в себя испускание сохранённых волновых пакетов фотонов по требованию, что может привести к реализации запутанности между различными жёсткими рентгеновскими фотонами — основным ресурсом для квантовой обработки информации. Исследование команды также подчёркивает потенциал распространения оптических квантовых технологий на коротковолновый диапазон, который по своей сути менее «шумный», поскольку помехи в основном «растекаются» по высокочастотным колебаниям.

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

Источник изображения: University of Chicago

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

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

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

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

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

Источник изображения: LANES EPFL

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

Источник изображения: LANES EPFL

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Источник изображений: Andy Roberts

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Результат выполнения алгоритма HHL

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

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

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

Результаты характеризации квантового процессора Snowdrop 4Q

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Процессор Quantinuum H2. Источник изображения: Quantinuum

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

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

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

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

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

Источник изображения: Kandinskiy

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

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

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

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

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

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

Источник изображения: unsplash.com

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

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