Квантовая запутанность допускает невероятные возможности для передачи состояния частиц на бесконечные расстояния за какие-то мгновения. Это принято назвать телепортацией, хотя в обычном понимании это далеко не так. Тем не менее, учёные научились ставить эксперименты по мгновенной передаче «информации» с помощью запутанных частиц, на чём будет строиться квантовый интернет. Теперь исследователи доказали, что телепортировать можно также энергию.

Источник изображения: Pixabay

Возможность квантовой телепортации энергии около 20 лет назад начал доказывать японский физик Масахиро Хотта (Masahiro Hotta) из Университета Тохоку. В ряде работ за это время он обосновал возможность таких явлений и заложил основу для постановки эксперимента. Опыт поставил другой японец — Казуки Икеда ‪(Kazuki Ikeda‬) из Университета Стоуни Брук в штате Нью-Йорк. В своей работе, которая доступна на сайте arXiv.org, Икеда утверждает, что ему впервые удалось телепортировать энергию с помощью обычного квантового компьютера.

«Мы сообщаем о первой реализации и наблюдении квантовой телепортации энергии на реальном квантовом оборудовании», — сказал он, добавив, что возможность телепортации энергии может иметь глубокие последствия для будущего квантового интернета.

Ключевая идея квантовой телепортации энергии заключается в том, что энергия любой квантовой системы постоянно колеблется. Именно эти естественные колебания энергии можно использовать на квантовом уровне. Энергия не приобретается и не теряется, как показал Масахиро Хотта, она просто передается. Если энергию одной из связанных квантовых частиц можно измерить, то эту же величину (по аналогии с передачей состояния или «информации») можно извлечь из другой связанной квантовой частицы, где бы она ни находилась в этот момент во Вселенной.

Сегодня найти квантовый компьютер для подобного эксперимента не составляет труда. Группа Икеды воспользовалась удалённым доступом к квантовому компьютеру IBM, на котором запустила свой уникальный алгоритм. Алгоритм отработал как задумано и позволил получить согласующийся с теорией Хотта результат. Квантовая телепортация энергии произошла в пределах квантового процессора IBM, но если опыт повторить на какой-либо квантовой сети, которые постепенно развёртываются в США, то учёные ожидают увидеть телепортацию энергии на расстояния многих километров.

Другое дело, насколько это будет значительный перенос энергии, чтобы им можно было воспользоваться из практических соображений? В любом случае, новые данные о квантовом мире позволят больше узнать о мире, в котором мы живём.

В конце декабря была представлена работа группы китайских учёных, которая продемонстрировала возможность взлома достаточно длинных RSA-ключей с помощью современных квантовых компьютеров. В работе рассказано о первом в истории взломе 48-битного ключа системой всего из 10 сверхпроводящих кубитов. Для взлома ключа RSA-2048 потребуется не более 400 кубитов, что уже находится в диапазоне современных возможностей. RSA — всё?

Источник изображения: Pixabay

Как известно, с помощью квантового компьютера и квантового алгоритма Шора можно легко и просто разложить (факторизовать) большие числа на простые множители и, тем самым, намного быстрее, чем на классическом компьютере расшифровать ключ или сообщение. Единственная проблема с запуском алгоритма Шора в том, что для факторизации криптографически значимых длинных ключей требуются квантовые системы из сотен тысяч, если не миллионов кубитов.

С тех пор, как алгоритм Питера Шора стал известен, учёные пытаются масштабировать его, чтобы взлом RSA не был таким ресурсоёмким для квантовых систем. Одну из идей как это сделать в своё время выдвинул российский физик Алексей Китаев. В 2016 году группа физиков Массачусетского технологического института и Инсбрукского университета создала квантовый компьютер, который подтвердил масштабирование при выполнении алгоритма Шора. Но для серьёзного прорыва этого было недостаточно.

Китайские учёные располагали достаточно скромной квантовой системой и хотели большего. Они воспользовались рекомендациями другого специалиста по криптографии — Клауса-Питера Шнорра, который весной прошлого года предложил методику, значительно ускоряющую факторизацию.

Работа Шнорра была раскритикована специалистами, как неспособная выдержать масштабирование до взлома длинных ключей, «смерть» которых действительно могла бы закрыть историю с RSA-шифрованием. Но китайские исследователи утверждают, что нашли возможность обойти это ограничение и на практике это доказали, взломав 48-битный ключ 10-кубитной квантовой системой, а также уверяют, что метод работает для взлома ключей криптографически значимой длины.

По факту китайцы объединили классические методы факторизации с уменьшением решетки с алгоритмом квантовой приближенной оптимизации (QAOA). Согласно их расчётам, для взлома ключа RSA-2048 потребуется всего 372 кубита. Подобная система, например, скоро будет у компании IBM. Процессор IBM Osprey открывает доступ к 433 кубитам. Если за словами китайских учёных что-то есть, то до взлома RSA-2048 квантовыми компьютерами осталось не больше пары лет.

Как сообщает японский портал PC Watch, в стране начались продажи портативных квантовых компьютеров китайской компании SpinQ Technology из Шэньчжэня. Ранее компания поставляла свои квантовые системы начального уровня в учебные заведения Китая, Тайваня и Канады. Устройства предназначены для обучения принципам программирования на квантовых системах и содержат всего пару кубитов. Теперь их может купить любой желающий.

Источник изображений: SpinQ Technology

Стоимость самой простой двухкубитовой системы Gemini Mini составляет около $8700. Она условно портативная и вооружена сенсорным экраном для полного управления экспериментами. Вес устройства достигает 14 кг при габаритах 200 × 350 × 260 мм. Питание поступает от обычной электросети, и потребление не превышает 60 Вт. Встроенное программное обеспечение позволяет имитировать работу восьми кубитов.

Более мощная по потреблению двухкубитовая система Gemini (потребляет до 100 Вт) размерами 600 × 280 × 530 мм и весом 44 кг стоит существенно дороже — порядка $43 тыс. Она также может эмулировать работу в режиме восьми кубитов, но фактически она содержит два физических кубита. В чём принципиальная разница по возможностям между Gemini Mini и Gemini не сообщается.

Наконец, за $58 тыс. можно приобрести трёхкубитовую систему Triangulum. Она потребляет 330 Вт и весит 40 кг. Размеры корпуса устройства составляют 610 × 330 × 550 мм. Вероятно, симуляция большего числа кубитов также возможна на Triangulum, как и на Gemini.

Все три новинки не претендуют на участие в научных экспериментах — это инструменты для обучения. Но зато эти инструменты позволяют работать с настоящими кубитами.

В основу квантовых систем SpinQ Technology положен давно открытый эффект ядерного магнитного резонанса. Этот эффект проявляется в управляемом изменении направления спинов отдельных атомов и в возможности детектировать такие изменения. В качестве рабочего вещества приборы SpinQ Technology используют диметилфосфит, который состоит из одного атома фосфора, одного атома водорода, кислорода и двух групп CH₃O.

При комнатной температуре диметилфосфит это бесцветная жидкость. Первоначально для проявления эффекта ЯМР несколько капель жидкости помещали в сильное магнитное поле, создаваемое сверхпроводящими магнитами. Китайские инженеры решили вопрос просто — использовали сильные постоянные магниты, которые генерируют магнитное поле силой 1 тесла. Это позволило сделать вычислитель на эффекте ЯМР очень компактным и фактически портативным.

Атом фосфора и атом водорода в системе служат отдельными кубитами, поскольку на спины каждого из них можно воздействовать независимо, а их близкое расположение в молекуле позволяет считать их связанными и проявляющими квантовые свойства. Несмотря на мнимую простоту устройства, это отличный учебный инструмент и он займёт свою нишу.

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.