Швейцарские физики поставили эксперимент, который может служить почти абсолютным доказательством существования эффекта квантовой запутанности. Этот вопрос крайне смущал многих физиков прошлого века, включая Альберта Эйнштейна, и был предметом постоянных споров. Для нового эксперимента построили 30 метров вакуумной трубы с криогенным охлаждением, чтобы фотон как можно дольше летел от одной запутанной частицы к другой и не успел вмешаться в измерения.

Устройство 30-м трубы из эксперимента с волноводом посередине. Источник изображения: ETH Zurich/Daniel Winkler

Эйнштейн не мог смириться с мыслью, что квантово запутанные частицы мгновенно влияют друг на друга на условно бесконечных расстояниях. В таком случае они должны «передавать информацию» быстрее скорости света. По его мнению, мы просто не всё знаем о квантовой физике, и могут быть какие-то скрытые параметры, которые уже содержатся в характеристиках частицы и выдаются в ответ на измерение свойств одной из запутанных частиц.

Например, если мы измерили направление спина одного из пары запутанных фотонов, то информация о спине второго (оно будет противоположным по направлению) становится известна мгновенно, где бы этот второй фотон из пары не находился. Это также называют эффектом квантовой телепортации.

Для определения системы на наличие скрытых параметров в 60-х годах прошлого века физик Джон Белл предложил мысленный эксперимент, который уже в семидесятые годы поставил Джон Клаузер (за что ему, в частности, была присуждена Нобелевская премия по физике за 2022 год). В классической системе (нашем с вами мире) неравенства Белла соблюдаются всегда, тогда как в квантовом мире они нарушаются.

Если применить неравенства Белла к запутанным частицам, то случайное измерение двух запутанных частиц одновременно должно либо удовлетворять неравенствам, либо нарушать их. В последнем случае это будет доказательством, что никаких скрытых параметров нет и частицы «передают информацию» по законам квантовой физики — быстрее скорости света.

Учёные из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) создали криогенную установку, в которой фотон путешествует дольше, чем ведутся локальные измерения связанных частиц. По 30-м трубе в вакууме с охлаждением до -273°C микроволновый фотон пролетает с одного конца в другой за 110 нс. Измерения длились на несколько наносекунд быстрее. Никакая информация по классическим законам не могла передаться за это время, тогда как эффект квантовой запутанности частиц себя полностью проявил.

До этого применение неравенств Белла предполагало лазейки в постановке экспериментов. Устранить все спорные места мог только эксперимент, в ходе которого измерения должны проводиться за меньшее время, чем требуется свету, чтобы пройти от одного конца к другому — это доказывает, что между ними не было обмена информацией.

«В нашей машине 1,3 [тонны] меди и 14 000 винтов, а также огромное количество знаний по физике и инженерных ноу-хау», — сказал квантовый физик из ETH Zurich Андреас Валлрафф (Andreas Wallraff).

У поставленного эксперимента была и другая цель — убедиться, что сравнительно большие сверхпроводящие системы могут обладать квантовыми свойствами. В опыте участвовали две сверхпроводящие схемы, которые играли роль связанных частиц, тогда как обычно речь идёт о запутывании элементарных частиц типа электронов, фотонов или атомов. В эксперименте использовались объекты нашего большого мира, и они отыграли по законам квантовой физики.

Это означает, что на основе сверхпроводящих макросистем можно строить квантовые компьютеры, осуществлять квантовую связь и делать много другого интересного не углубляясь до таких тонких и пугливых (сверхчувствительных) материй, как элементарные частицы. В этом скрыт небывалый потенциал, который учёные намерены разрабатывать дальше.

Компании SkyWater и PsiQuantum сообщили, что расширили сотрудничество в области разработки и производства отказоустойчивого квантового компьютера. После завершения этапа проектирования производством квантовых процессоров займётся завод SkyWater в Блумингтоне, штат Миннесота, США. Это бывшее производство компании Cypress Semiconductor на 200-мм, начавшее выпуск продукции в 1991 году. Как видим, для прорыва не нужно ничего необычного.

Источник изображений: PsiQuantum

Компания SkyWater выделена из Cypress Semiconductor. Завод был передан в качестве наследства. Это предприятие десятилетиями обслуживало военные и государственные заказы властей США и соответствует всем требованиям защиты от утечек. Работа с военными также перешла в область деятельности SkyWater. Она сотрудничает с ними по ряду перспективных полупроводниковых проектов, включая разработку процессоров на углеродных нанотрубках. Квантовые компьютеры также входят в сферу интересов национальной безопасности США и переадресация проекта в руки SkyWater — это в целом закономерное решение.

Интересно отметить, что первоначально производить компоненты для квантового компьютера PsiQuantum планировали на мощностях компании GlobalFoundries. Точнее — на бывших заводах компании IBM, которые она продала GlobalFoundries. Эти заводы — особенно тот, который обрабатывал 200-мм пластины, работали по военным контрактам и выпускали радиочастотные и фотонные чипы. Решение PsiQuantum как раз использует в качестве кубитов фотоны в квантовых процессорах и кремниевая фотоника хорошо ложится на её разработки. Почему сотрудничество с GlobalFoundries прервалось или видоизменилось, не сообщается.

Что касается компании PsiQuantum, то в союзе с SkyWater она найдёт не только будущего производителя квантовых процессоров, но также партнёра по разработке таковых. Для этого, в частности, будет использоваться фирменная платформа SkyWater TaaS (технология как услуга), которая «позволяет эффективно разрабатывать и производить передовые технологии на промышленных предприятиях и активно поддерживает инициативы в области квантовых вычислений».

Компания PsiQuantum поддерживается влиятельными инвесторами, в число которых входят Microsoft (фонд M12), Baillie Gifford (один из первых инвесторов Tesla), Blackbird Ventures и Temasek. Компания собрала более полумиллиарда долларов США инвестиций и намерена создать первый в мире отказоустойчивый квантовый компьютер.

Квантовые компьютеры обещают колоссальную производительность по сравнению с классическими компьютерами, однако практической пользы от них пока не видно. Приблизить этот момент можно даже сейчас, пока в системе мало кубитов. Необходимо искать точки приложения и разрабатывать алгоритмы, для чего нужны академические знания. Такие специалисты есть в Японии, и компания IBM передаёт им второй квантовый компьютер, надеясь получить взамен что-то полезное.

Источник изображения: IBM

Первый квантовый компьютер компания IBM запустила в Японии в 2021 году на площадке Kawasaki Токийского университета. Это была 27-кубитовая система IBM Q System One. Новая машина будет вооружена 127 кубитами, она станет первой мощнейшей зарубежной квантовой платформой IBM. Сами японцы несколько отстают в создании отечественных квантовых систем, хотя всеми силами навёрстывают упущенное. Так, в марте компания Fujitsu и НИИ RIKEN запустили 64-кубитовый компьютер собственной разработки и предоставили к нему облачный доступ.

«Наша цель — продвигать исследования и внедрять квантовые инновации в приоритетных областях, таких как космос, разработка лекарств, искусственный интеллект и финансы», — заявил исполнительный вице-президент Токийского университета Хироаки Айхара (Hiroaki Aihara) на пресс-конференции в пятницу.

Токийский университет будет обладать эксклюзивными правами на использование компьютера и предоставит доступ совету из 12 японских компаний, в который также входят Mitsubishi Chemical Group, Toyota Motor и Sony Group.

Компания Mitsubishi Chemical Group, например, планирует использовать квантовые вычисления для разработки литий-воздушных аккумуляторов, которые обещают стать более производительной альтернативой литий-ионным батареям, а корпорация JSR планирует использовать технологию для разработки полупроводниковых материалов.

При всём этом следует понимать, что универсальный квантовый вычислитель может появиться только при достижении умопомрачительного по сегодняшним меркам числа кубитов — от миллиона и больше. Согласно расчётам, примерно столько кубитов обеспечат безошибочную работу всего 1000 кубитов (всё, что сверху, необходимо для коррекции ошибок). Квантовый компьютер «на миллион» — это что-то за пределами сегодняшних мечтаний, такая система будет опираться явно не какие-то иные квантовые платформы. Не исключено, что ответ знают в России — это переход на многоуровневые кубиты или кудиты, но это уже другая история.

Учёные Бостонского университета и сотрудники канадской D-Wave в журнале Nature опубликовали статью, которая убедительно доказывает практическую ценность квантовых компьютеров компании. Коммерческая система D-Wave Advantage из 5000 кубитов обеспечила симуляцию особого состояния материи — спинового стекла. Для классических компьютеров такие задачи неподъёмные, а учёные мечтают выйти за пределы известного. Квантовые системы им это дают.

Источник изображений: D-Wave

Компания D-Wave выпускает особый класс квантовых компьютеров. Кубиты в системах D-Wave совсем не такие, как в системах Google, IBM или у российских платформ. Основная масса разработчиков пытается создавать многокубитные системы, в которых квантовая запутанность реализуется, скажем так, по-честному, когда запутанные кубиты имеют ту или иную квантовую величину (характеристику) в одинаковом состоянии.

Пока кубиты когерентны (согласованы) проводятся вычисления или, точнее, симуляции. Это очень хрупкое состояние и длится оно единицы миллисекунд. Много кубитов таким образом не свяжешь. Сегодня это от 20 до 50 кубитов в системах IBM. Канадцы же ещё на старте в 2011 году представили 128-кубитовую платформу и сегодня предлагают уже 5000-кубитовую. Им мало кто верил, пока в 2012 году систему D-Wave не купила Lockheed Martin. В 2013 году вышла первая статья, доказывающая работу квантовых платформ компании, и вскоре их системы были куплены Google и NASA.

В платформах D-Wave когерентное состояние кубитов поддерживается иным образом, а именно с помощью известного явления квантового туннелирования. Вместо того, чтобы удерживать запутанность кубитов платформа D-Wave приводится в состояние когерентного (согласованного) возбуждения всех кубитов, после чего она оставляется в покое и кубиты естественным образом переходят в состояния энергетического минимума. Начальное состояние возбуждения программируется, поэтому в состоянии установившегося покоя (в процессе так называемого отжига) итоговое минимальное энергетическое (физическое) состояние системы — это готовый ответ на поставленную задачу. Фактически — это решение задач той или иной оптимизации.

В свежем исследовании учёные из Бостона и специалисты D-Wave показали, что производительность её квантового компьютера Advantage на 5000 кубитов значительно выше, чем у классических систем при решении задач 3D оптимизации спинового стекла — трудноразрешимого класса задач оптимизации. Эта работа также представляет собой крупнейшее программируемое квантовое моделирование, о котором сообщалось до сих пор.

D-Wave Advantage на 5000 кубитов

В сентябре прошлого года подобные вычисления были проведены на 2000-кубитовой системе D-Wave. Повторение работы в новом масштабе доказывает возможность трансляции когерентных процессов на расширенные процессы при решении задач оптимизации.

«Это исследование знаменует собой значительное достижение для квантовой технологии, поскольку демонстрирует вычислительное преимущество перед классическими подходами для трудноразрешимого класса задач оптимизации, — сказал д-р Алан Барац (Alan Baratz), генеральный директор D-Wave. — Для тех, кто ищет доказательства непревзойденной производительности квантового отжига, эта работа предлагает окончательное доказательство».

Популярные среди разработчиков квантовых компьютеров сверхпроводящие кубиты имеют один отчётливый недостаток — криогенные системы плохо масштабируются. Управляющая кубитами электроника в виде обычных цифровых контроллеров не может работать при сильном охлаждении и её надо держать отдельно от кубитов, что делает решение крайне сложным и громоздким. Компания из США смогла создать низкотемпературные контроллеры и это может иметь последствия.

Источник изображения: SEEQC

О разработке сообщил стартап SEEQC (Superconducting Energy Efficient Quantum Computing). Но не стоит удивляться. Хотя компания SEEQC образована в 2017 году, её корни лежат в корпорации HYPRES, созданной в далёком 1983 году для решения задач в области сверхпроводимости по заказам правительства США. На основе интеллектуального багажа предшественников специалисты SEEQC начали развивать направление квантовых компьютеров, и определённые успехи на этом пути уже достигнуты.

Компания SEEQC представила чипы Single Flux Quantum (SFQ). Утверждается, что SFQ способны выполнять все основные функции контроллера кубитов квантового компьютера при той же криогенной температуре, что и сами кубиты, а это порядка 20 мК. Это означает, что контроллер может работать рядом с кубитами в той же криогенной камере. Это многократно упрощает архитектуру квантовых систем, которые сегодня выглядят как огромные шкафы выше человеческого роста.

Разработчики SEEQC намерены продвигать гибридные компьютеры — сочетание квантовых и классических платформ, что требует создание электроники, выдерживающей сверхнизкие температуры. Это также означает, что одними контроллерами дело не обойдётся. Необходимы криогенные схемы, оцифровывающие обычно волновые данные, считанные с кубитов. И SEEQC разрабатывает такую логику, хотя говорит, что она не опирается на транзисторы.

Подробностей на этот счёт нет, но можно предположить, что в роли «криогенного транзистора» компания использует переход на эффекте Джозефсона. Суть эффекта в том, что в определённых условиях диэлектрик между двумя сверхпроводниками может начать пропускать ток. Ранее SEEQC была замечена в экспериментах с такими элементами. В частности, разрабатывала криогенную память на джозефсоновских переходах для квантовых и обычных компьютеров.

Если верить компании, чипы SFQ обмениваются данными по беспроводной связи и совместимы со всеми типами сверхпроводящих кубитов и даже со спиновыми кубитами. Для упрощения архитектуры решение использует мультиплексирование. Так, испытано решение для управления 8 кубитами с помощью 2 проводов. Версия для управления 64 кубитами отправлена в производство и вскоре будет доступна для всестороннего тестирования.

Добавим, по такому же пути идёт компания Intel. Она разрабатывает семейство криогенных контроллеров Horse Ridge для управления сверхпроводящими и спиновыми кубитами. Пока Intel не может похвастаться работой контроллеров при температуре, близкой к абсолютному нулю. Контроллеры Intel работают при температуре 4K и не могут располагаться рядом с кубитами. Но у этой технологии есть другой несомненный плюс — контролеры Horse Ridge выпускаются на обычных кремниевых транзисторах и с ними намного привычнее и проще работать.

Впрочем, курс тот же — создать электронную обвязку для кубитов, которая располагалась бы в той же криогенной среде, что и носители квантовой информации. Это существенно сократит время до появления достаточно мощного квантового компьютера, который будет иметь практический успех.

IBM, Vodafone и члены GSMA опубликовали программный документ, в котором наметили важнейшие пути защиты телекоммуникационных компаний от киберугроз квантовой эпохи. И хотя группа не ожидает появления потенциально опасной квантовой системы взлома до 2032 года, для ряда направлений угроза перестала быть призрачной. Под удар уже попадает информация для длительного хранения под грифом «Секретно» и персональные данные граждан. Действовать надо немедля.

Источник изображения: IBM

Документ Post Quantum Telco Network Impact Assessment об оценке влияния квантовых технологий на телекоммуникационные сети можно загрузить по этой ссылке. Это 57-страничный текст для специалистов, в нём проводится углублённый анализ угроз в сфере квантовой безопасности, с которыми уже сталкивается и вскоре ещё сильнее столкнётся отрасль, а также приводится подробный пошаговый список действий и решений для подготовки к смягчению этих угроз.

В частности, в документе даётся оценка связанных с квантовыми киберугрозами бизнес-рисков для конкретных операторов связи, включая четыре типа атак, оказывающих наибольшее воздействие: накопление данных сейчас, расшифровка позже; подпись кода и цифровые подписи; а также изменение истории и атаки на менеджеры ключей. Например, злоумышленники могут уже сегодня накапливать информацию, защищённую до невозможности взлома за разумное время, с надеждой дешифровать её после появления квантовых платформ.

Противостоять будущим угрозам можно будет только с принятием новых стандартов безопасности, которые уже, к слову, разрабатывает та же компания IBM. Это касается не только протоколов и алгоритмов кодирования, но также SIM-карт, инфраструктуры открытых ключей, цифровых сертификатов и многого другого. Учитывая общую инерцию всех бюрократических структур, возникают резонные опасения, что за десять лет серьёзно изменить что-то будет или невозможно, или крайне сложно.

«Появление такой технологии [квантовой киберугрозы] требует немедленной подготовки, поскольку некоторые формы атак могут быть ретроспективными (например, "хранить сейчас, расшифровать потом"). Мотивированные злоумышленники могут собирать и хранить данные сейчас, чтобы расшифровать их, когда станут доступны определённые возможности квантовых вычислений. Как говорится в отчёте, такие субъекты могут делать это, чтобы "подорвать безопасность данных с длительным сроком сохранения конфиденциальности, таких как корпоративные IP, государственные секреты или индивидуальные биоданные"», — сказано в пресс-релизе компании IBM.

Голландская компания QuantWare представила квантовый процессор Tenor. Он имеет 64 полностью управляемых сверхпроводящих кубита. Но главное в нём — это возможность сравнительно простого масштабирования квантовой вычислительной платформы. Это стало возможным после ухода от планарного расположения кубитов к первой в индустрии вертикальной стековой архитектуре.

Источник изображения: QuantWare

Молодая компания QuantWare выросла из совместных квантовых проектов компании Intel и нидерландского центра квантовых исследований QuTech Делфтского технологического университета (TU Delft). Два года назад она начала поставлять всем желающим серийный 5-кубитовый сверхпроводящий квантовый процессор Soprano. Решение мало чем отличалось от конкурирующих процессоров, зато новая разработка сразу выбилась из ряда предложений.

Масштабирование — это больное место квантовых вычислительных платформ. И тем более сложно масштабировать платформу с горизонтальным размещением кубитов, ведь каждый из них требует специальных контактов на периферии чипа. Стековая компоновка даёт дополнительное пространство для манёвра как для масштабирования, так и для внутренней организации кубитов. Последнее тем более важно, что чем больше кубитов можно связать, тем легче обеспечить коррекцию ошибок — это второй бич квантовых вычислений.

Реальное изображение процессора

Компания QuantWare не даёт развёрнутых характеристик процессора Tenor. Однако её решения уже нашли отклик среди разработчиков квантовых вычислителей. Например, на процессоры QuantWare будет опираться национальный квантовый проект Израиля. Не исключено, что в работу будет взят уже «трёхмерный» процессор как наиболее свежее и перспективное решение.