Компания Microsoft объявила о революции в сфере квантовых вычислений. Специалисты компании разработали и воплотили в «железе» абсолютно новый принцип кубитов, который ранее никем не был реализован. В основе квантового процессора Majorana 1 («Майорана 1») задействованы гипотетические частицы — фермионы Майораны. Интересно, что у этой разработки можно обнаружить российские и даже советские корни.

Источник изображений: Microsoft

Прежде всего поясним, что фермионы Майораны существуют лишь в теории. Эти частицы ещё не были зарегистрированы в экспериментах, и их обнаружение будет равнозначно получению Нобелевской премии по физике. Пока же это мечта и цель многих учёных. Значит ли это, что Microsoft всех обманула? И да, и нет. В последние годы физики научились создавать квазичастицы, близкие по свойствам к фермионам Майораны. Это облака из сверхохлаждённых электронов, которые называют «модами нуль-энергии».

Идею квантового компьютера на основе майорановских фермионов в 1990-х годах разработал советский, российский, а позднее американский физик Алексей Китаев. Он также помогал Microsoft с продвижением этого направления. Китаев разработал теорию, объясняющую способы получения таких квазичастиц. Они образуются в присутствии топологического проводника — материала, обладающего проводимостью только по поверхности. Для создания кубитов на основе майорановских фермионов был предложен модернизированный классический джозефсоновский переход — структура, состоящая из двух сверхпроводников с изолятором между ними. Однако вместо второго сверхпроводника использовался топологический материал.

В случае с квантовым процессором Microsoft Majorana 1 применялась комбинация арсенида индия и алюминиевых проводов. Кубиты имеют форму буквы H, на каждом её конце в ловушках располагается по одному фермиону Майораны, представленному группой электронов. Такая конструкция обещает простое масштабирование, схожее с изготовлением транзисторов на полупроводниковых кристаллах. В настоящий момент процессор Majorana 1 содержит лишь восемь таких кубитов, однако к 2030 году Microsoft планирует увеличить их число до нескольких сотен, а в перспективе выпустить чип с миллионами кубитов всего за несколько лет, а не десятилетия.

«Мы сделали шаг назад и сказали: "Хорошо, давайте изобретём транзистор для квантовой эпохи. Какими свойствами он должен обладать?" — рассказал Четан Наяк (Chetan Nayak), технический сотрудник Microsoft. — Именно так мы пришли к нашему решению. Именно сочетание, качество и важные детали в новом наборе материалов позволили создать новый тип кубита и, в конечном счёте, всю нашу архитектуру».

Новая квантовая платформа Microsoft требует криогенного охлаждения и взаимодействия с классическими компьютерами для обработки квантовой информации. Казалось бы, в этом нет ничего нового. Прорывом стало использование топологических материалов — так называемых топопроводников (topoconductors), а также работа с квазичастицами майорановских фермионов. В Microsoft смогли разработать архитектуру, способную с высочайшей точностью регистрировать характеристики квазичастиц (определяя один электрон из миллиона) и управлять их состоянием.

Пока нельзя сказать, насколько квазичастицы фермионов Майораны будут полностью соответствовать свойствам гипотетических майорановских фермионов. В идеальном случае эти частицы должны быть чрезвычайно устойчивы к внешним воздействиям и защищены от ошибок — главной проблемы современных квантовых платформ. Если всё пойдёт по плану Microsoft, то уже к середине 2030-х годов у нас появится универсальный, помехоустойчивый квантовый компьютер, который совершит революцию в сфере сложных вычислений.

Исследователи из Университета Суррея (University of Surrey) в Великобритании не нашли в квантовой физике признаков запрета на течение времени вспять. Работа носит теоретический характер и не подтверждена экспериментами. В то же время она будоражит воображение потенциальной осуществимостью путешествий в прошлое, что, к сожалению, несовместимо с классической физикой и миром, в котором мы живём.

Источник изображения: ИИ-генерация DALL·E/3DNews

В своём исследовании, удостоенном публикации в журнале Scientific Reports, учёные рассказали о поисках истоков времени. Они стремились найти такую физическую величину или её материальное воплощение, которое бы отвечало за течение времени. Найти искомое коллективу не удалось, но время и силы были потрачены не зря. Из проведённых вычислений следует, что в мире квантовой физики — там, в самой глубине микромира, где всё устроено не так, как в макромире, — нет формального запрета на течение времени в обратном направлении.

В мире нет ничего точнее уравнений квантовой физики. При должном старании и затратах на эксперименты теоретический результат может совпасть с измерениями до двенадцатой цифры после запятой. Поэтому практически любая математически верная выкладка может быть подтверждена экспериментально. Это означает, что многие фантастические сегодня проекты, которые по разным причинам пока невозможно проверить на практике, со временем могут стать реальностью.

Отсутствие теоретического запрета на эволюцию назад во времени могло бы стать одним из таких открытий. Однако на практике это не означает возможность путешествий в прошлое. Всё дело в том, что исследователи изучали не движение и перемещение в привычном смысле, как в научной фантастике, а эволюцию квантовых свойств элементарных частиц. Важно отметить, что учёные показали: их работа не противоречит законам термодинамики. При обращении вектора времени в прошлое энтропия снижается только в пределах квантовой системы, но в классической системе при этом продолжает расти.

Для проведения расчётов учёные воспользовались так называемой цепью Маркова, или термодинамикой Маркова. Это открытая квантовая система, эволюция которой зависит только от её текущего состояния и не имеет памяти. Иными словами, её будущее состояние не зависит от прошлого. Расчёты показывают, что квантовые состояния элементов такой системы способны эволюционировать с равной вероятностью как в будущее, так и в прошлое. Для системы нет разницы, в каком направлении направлен вектор времени. В квантовом мире отсутствует механизм, который мог бы помешать «прокрутить» ход времени вспять.

Чувствительность кубитов к шумам вносит неконтролируемые ошибки в квантовые вычисления, что не позволяет запускать сложные алгоритмы. Чтобы улучшить ситуацию исследователи Университета МИСИС на основе нейросетей создали самообучающуюся систему поиска и исправления ошибок. Разработка сочетает преимущества интеллектуальных и классических алгоритмов, поэтому эффективнее распознаёт ошибки по мере наращивания числа кубитов, что является ключевой задачей.

Источник изображения: ИИ-генерация DALL·E/3DNews

«Современные устройства совершают ошибки во многом из-за взаимодействия квантовой системы с её окружением. При этом даже небольшие погрешности критичны при масштабных вычислениях, так как искажение результата накапливается с каждой операцией. Повышение точности — одна из ключевых задач в развитии квантовых технологий», — сообщил директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС Алексей Фёдоров.

Предложенный учёными метод опирается на архитектуру рекуррентных нейронных сетей, которая анализирует временные ряды данных. Эти ряды извлекаются в процессе периодического измерения вспомогательных кубитов. Что особенно ценно, эта особенность позволяет алгоритму работать с различными кодами коррекции.

Исследователи протестировали алгоритм на семействе циклических кодов коррекции с учётом топологических особенностей квантового процессора на сверхпроводящих кубитах. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review A (Q1). Также статья доступна на сайте препринтов arXiv. Это её третья редакция.

«Главное преимущество разработки заключается в способности обучаться на данных, полученных с конкретного устройства. Это особенно важно в условиях, когда характер ошибок отличается от теоретически предполагаемых моделей. Кроме того, предложенный алгоритм декодирования не зависит от конкретного кода коррекции, что делает его универсальным и легко масштабируемым», — сообщил автор исследования Илья Симаков, инженер научного проекта лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий НИТУ МИСИС, научный сотрудник Российского квантового центра.

Компания Intel подписала меморандум о взаимопонимании с Японским национальным институтом передовой промышленной науки и технологий (AIST) о совместной работе над квантовыми компьютерами следующего поколения. Для партнёров из Японии Intel будет поставлять свои новейшие квантовые процессоры, а исследователи из AIST создадут на их основе рабочие системы для совместного распространения среди научных учреждений всего мира.

Источник изображения: Intel

Компания Intel не была особенно активной в разработке квантовых систем, хотя работала в одном из самых перспективных направлений — сфере спиновых кубитов, которые также называют кремниевыми. Такие квантовые процессоры можно производить на стандартных полупроводниковых фабриках, что обеспечивает их массовость, а также обещает достаточно простое масштабирование систем.

Свой первый квантовый процессор Tunnel Falls на 12 спиновых кубитах компания представила в июне 2023 года. В 2024 году ожидался выпуск процессора с увеличенным числом кубитов, но он так и не был представлен. Однако в мае 2024 года сотрудники Intel опубликовали в Nature развёрнутую статью, в которой объясняли превосходство квантовых процессоров компании над конкурентными разработками. В частности, Intel заявила об установлении отраслевого стандарта в области единообразия, точности и статистики измерений спиновых кубитов.

Следует отметить, что сферу разработки и эксплуатации квантовых вычислителей в Японии около пяти лет развивает компания IBM. Свой третий квантовый компьютер Q System One компания передала Токийскому университету в обмен на обязательство разработки прикладных квантовых алгоритмов.

Кроме того, IBM ещё раньше Intel подписала договор о сотрудничестве с AIST — это произошло в июне 2024 года. Тогда стало известно, что исследовательский институт заключил партнёрство с IBM по разработке квантового компьютера ёмкостью 10 000 кубит, запуск которого запланирован на 2029 год.

Возвращаясь к совместной работе Intel и AIST, добавим, что компании также договорились совместно развивать полупроводниковые и сверхпроводниковые интегральные схемы, необходимые для создания квантовых компьютеров следующего поколения. Разрабатываемые партнёрами квантовые системы будут доступны университетам в США, Японии и других странах. Остальным организациям придётся доплатить за доступ к платформам.

Кроме того, ирландское подразделение Intel по исследованиям и разработкам было названо одним из 36 партнёров, работающих над созданием европейской цепочки поставок криогенных квантовых технологий, включая криогенную фотонику, микроэлектронику и криомикросистемы. Проект, получивший название ARCTIC (Advanced Research on Cryogenic Technologies for Innovative Computing), стал первым результатом программы совместного объединения Европейского союза по производству чипов (CJU).

Как и классические компьютеры, квантовые вычислители рано или поздно потребуют кластерных конфигураций или распределённых вычислений. Практика показывает, что таким образом проще увеличить вычислительные ресурсы, чем локально масштабировать одну систему. Реализовать передачу квантовых данных можно по классическому каналу, но это обычно приводит к увеличению ошибок. Намного надёжнее было бы телепортировать состояния, благо квантовая физика это допускает.

Типичный квантовый процессор на ловушках ионов. Источник изображения: NIST

Сразу уточним, что квантовая телепортация не передаёт энергию и информацию. С её помощью передаётся квантовое состояние, например направление спина электрона или атома (иона). Поскольку до измерения спина (или других квантовых состояний объекта) на передающем конце ничего нельзя знать заранее, для принимающей стороны передача не будет нести смыслового наполнения. Однако если телепортацию включить в вычислительный процесс, то некоторое (бессмысленное при всех прочих условиях) промежуточное состояние, полученное на одной платформе, может быть телепортировано для продолжения вычислений на удалённой платформе.

Ранее квантовая телепортация при выполнении вычислений была реализована в рамках одного «чипа». Учёные из Оксфордского университета (Oxford University) наскоро собрали две разнесённые квантовые платформы на кубитах из ионов, чтобы проверить возможность распределённых вычислений с использованием эффекта квантовой телепортации. «Компьютеры» находились друг от друга на расстоянии двух метров, но могли располагаться в разных комнатах или даже дальше. В конце концов, это лишь вопрос стоимости лабораторного оборудования.

В качестве кубитов были использованы спаренные ионы кальция и стронция — каждая пара в своей ловушке, играющей роль компьютера. В таком кластере ионы кальция служили локальной памятью, а ион стронция работал как передатчик и, на другом конце, как приёмник квантового состояния. Оба иона стронция запутывались фотонами через оптический кабель, после чего вся система начинала работать как единое целое.

До установления запутанного состояния система оставалась в исходном состоянии. Но как только происходило запутывание, ион стронция испускал фотон, что сигнализировало о готовности системы к вычислениям. Представленная установка позволяла реализовать простейшую логическую операцию CZGate (контролируемый Z). Это один из базовых квантовых вентилей (гейтов), поэтому алгоритм для кластерных вычислений в принципе может быть любым.

Эксперименты показали, что точность вычислений при телепортации промежуточного результата от кубита к кубиту составила 70 %, но лишь из-за использования недорогого оборудования для ловушек ионов. С точки зрения одной лишь телепортации точность достигла 97 %. Это ощутимо ниже точности многих современных квантовых платформ, но уже некий результат, с которым можно продолжать работу.

При правильной комбинации операций телепортации возможно воссоздать полный набор логических квантовых элементов. Другими словами, можно создать универсальный квантовый компьютер, способный выполнять любой квантовый алгоритм, просто используя телепортацию. Тем самым термин «врата телепортации» может уверенно перекочевать из научной фантастики в нашу жизнь, пусть и не так, как мечталось.

По мере развития квантовые технологии охватывают всё новые сферы, хотя ранее они были представлены в основном в криптографии и вычислениях. На очереди — квантовые датчики, которые позволят выполнять безопасные измерения на расстоянии без опасений перехвата или искажений.

Источник изображения: Pixabay

Безопасность при проведении дистанционных измерений важна для создания высокоточных квантовых радаров, систем космического базирования, мониторинга состояния пациентов в домашних условиях и других сфер, где критичны как точность измерений, так и их защищённость. Этой темой в последние годы активно занимаются учёные из британского Университета Сассекса (University of Sussex).

Недавно в журнале Physical Review A вышла новая статья, в которой исследователи рассказали о возможных схемах реализации защищённых измерений с помощью упрощённых квантовых датчиков. В базовой конфигурации даже не требуется запутывать кубиты — всё реализуется гораздо проще, хотя эффект запутывания позволяет значительно повысить точность измерений.

Основная идея технологии SQRS (безопасного квантового дистанционного зондирования) заключается в том, что в пункт проведения измерений отправляются одиночные фотоны. Они доставляются по открытым классическим каналам, например, через оптоволокно или лазерный луч, если речь идёт о передаче на спутник. В пункте назначения фотоны приобретают сдвиг фазы в соответствии с измеряемыми данными и затем возвращаются отправителю по тем же открытым каналам.

В предложенной схеме получить результат может только отправитель, поскольку он владеет полной информацией о квантовых состояниях отправленных фотонов. Получатель в точке измерения не сможет определить величину сдвига фазы, так как у него нет опорных данных для вычислений. Злоумышленник, сумевший перехватить такие фотоны, также не сможет восстановить переданное сообщение, поскольку на этапе измерения (в момент сдвига фазы) вносится дополнительная квантовая неопределённость.

Учёные из Китая смогли улучшить предложенную методику. Их статья, опубликованная на сайте arXiv, пока ещё не прошла рецензирование. Исследователи из Университета Гуанси (Guangxi University) показали, что для реализации SQRS вовсе не обязательно использовать одиночные фотоны, что требует достаточно сложного оборудования. В своей работе они доказали, что можно обойтись слабым источником фотонов. Используя законы статистики, такой источник можно считать однофотонным, корректируя показатели с помощью математических методов.

Предложение китайских исследователей приближает практическую реализацию безопасного квантового дистанционного зондирования, что может ускорить развитие квантовых технологий.

В настоящее время в мире нет единого мнения по поводу того, когда кантовые вычисления станут практичными. Прогнозы варьируются от нескольких лет до десятилетий. Google планирует выпустить коммерческие квантовые вычислительные приложения в течение ближайших пяти лет, сообщил Reuters глава квантового подразделения Google Хартмут Невен (Hartmut Neven). В то же время в Nvidia считают, что до практического использования квантовых систем пройдёт ещё порядка 20 лет.

Источник изображения: Google

«Мы оптимистично настроены и считаем, что в течение пяти лет увидим реальные приложения, которые возможны только на квантовых компьютерах», — заявил основатель и руководитель подразделения Google Quantum AI Невен.

Практическое применение квантовых вычислений, о котором говорит Google, связано с материаловедением, включая создание ёмких и долговечных аккумуляторов для электромобилей, разработку новых лекарств и, возможно, альтернативных источников энергии.

Ситуация с квантовыми вычислениями, которые позволят на порядок ускорить обработку данных по сравнению с нынешними суперкомпьютерами, напоминает историю развития искусственного интеллекта. До запуска ИИ-чат-бота ChatGPT в 2022 году технологиями искусственного интеллекта занимались в основном учёные. Они работали над ИИ, совершали открытия и технологические прорывы, чтобы ускорить внедрение, но не имели чёткого понимания, когда ИИ выйдет на стадию коммерческого использования.

Глава Nvidia Дженсен Хуанг (Jensen Huang) в январе на выставке CES 2025 в Лас-Вегасе предсказал, что практическое применение квантовых компьютеров начнётся примерно через 20 лет. После этого прогноза несколько компаний, работающих в сфере квантовых вычислений, потеряли в общей сложности $8 млрд рыночной стоимости.

Google занимается квантовыми вычислениями с 2012 года и уже создала несколько квантовых чипов. В декабре прошлого года компания представила квантовый процессор Willow со 105 сверхпроводящими кубитами.

На фоне давления со стороны США, Япония расширила список товаров, подлежащих экспортному контролю, включая передовые чипы и оборудование для квантовых компьютеров. Это делается для предотвращения их использования в военных целях и разработки оружия.

Как поясняет Bloomberg со ссылкой на Министерство экономики Японии, передовые чипы могут применяться для повышения вычислительных возможностей высокоточного оружия, а квантовые компьютеры способны взламывать шифры. Теперь компаниям потребуется получать лицензии для экспорта этих товаров. Предположительно новые ограничения вступят в силу в конце мая.

Отмечается, что этот шаг является частью более широких усилий США по закрытию «серых» способов по обходу ограничений на продажу чипов, используемых в технологиях искусственного интеллекта (ИИ), так как в Вашингтоне растёт обеспокоенность по поводу возможного реэкспорта полупроводников Nvidia в Китай.

Токио со своей стороны также усиливает экспортный контроль, добавляя новые компании в свой чёрный список. Министерство экономики включило 42 организации по всему миру, которые будут подлежать экспортному надзору, касающегося товаров двойного назначения. В общей сложности в списке уже около 110 китайских компаний, исследовательских институтов и других организаций. Изменения вступают в силу 5 февраля.

Китай выразил недовольство новыми ограничениями. В заявлении Министерства торговли Китая говорится, что «меры могут нарушить стабильность цепочек поставок и затруднить нормальные коммерческие отношения между предприятиями двух стран». Пекин надеется, что Япония не допустит негативного влияния на экономическое и торговое сотрудничество.

Стоит сказать, что на фоне обострения ограничений Китай активизировал дипломатические контакты с союзниками США. В частности сообщается, что министр иностранных дел Китая Ван И (Wang Yi) неофициально пригласил премьер-министра Японии Сигэру Исибу (Shigeru Ishiba) посетить церемонию открытия Азиатских зимних игр в Харбине в начале февраля. Однако дипломатические источники считают, что визит маловероятен, так как японское правительство параллельно стремится организовать встречу Исибы с президентом США Дональдом Трампом (Donald Trump).

Учёные из Национального института стандартов и технологий США (NIST) сообщили о создании наиболее точного и не требующего калибровки атомного термометра, который может найти применение в науке, космосе и производстве. Работа прибора строится на принципах квантовой физики и поэтому безупречна. Современные научные термометры требуют длительной калибровки и даже в этом случае не гарантируют точных измерений, от чего свободен атомный термометр.

Источник изображения: NIST

В основе решения исследователей из NIST лежат так называемые ридберговские атомы. Таковыми часто делают атомы рубидия. Для этого необходимо крайний электрон так накачать энергией, что он на три порядка увеличивает расстояние от ядра. Для понимания масштаба представьте, что ядро атома размерами 1 мм. Тогда размер «накаченного» атома составил бы 30 м. Когда атом становится ридберговским, размеры атома увеличились бы до 1000 раз, что в нашем примере соответствовало бы 30 км. Электрон на таком удалении от ядра (в настоящем атоме) чувствителен к внешним проявлениям магнитных полей и энергий. А поскольку всё завязано на квантовую физику (свойства элементарных частиц), то все эти состояния и энергии рассчитываются с точностью до 12 знака после запятой.

Тем самым измерения с привлечением ридберговских атомов будут невероятно точными даже по умолчанию, просто опираясь на фундаментальные свойства Вселенной (с привлечением необходимого оборудования и вычислительных алгоритмов). Впрочем, эта простота, конечно же, кажущаяся. Однако оборудование для организации подобного термометра стало достаточно компактным и вполне может быть использовано на производстве.

В атомном термометре атомы рубидия охлаждают до температуры, близкой к абсолютному нулю (до 0,5 мК). Это снижает собственные колебания атомов (их энергию) до минимально уровня. Облако атомов рубидия при этом удерживается в пространстве электромагнитным полем, не давая ему контактировать со стенками камеры. После этого облако облучают лазерами, и самые дальние электроны поглощают энергию, после чего они переходят на орбиты с 1000-кратным превышением стандартных орбит.

После этого остаётся следить за поведением удалённых электронов, которые поглощают или отдают энергию из окружающего пространства. Эта энергия эквивалентна температуре измеряемого объекта и переносится излучаемыми им фотонами. Получая и отдавая энергию, электроны меняют орбиты и по этим изменениям можно с чрезвычайной точностью рассчитать температуру объекта. Измерения производятся бесконтактным способом, что во многих случаях весьма удобно.

Этот прорыв не только открывает путь для нового класса термометров, но и особенно важен для атомных часов, поскольку их точность может пострадать от случайного нагрева. «Атомные часы исключительно чувствительны к изменениям температуры, что может привести к небольшим погрешностям в их измерениях», — пояснили учёные. — Мы надеемся, что эта новая технология поможет сделать наши атомные часы ещё более точными».

Всё это приведёт к новым возможностям в науке, в квантовых вычислениях, улучшит автономную навигацию в дальнем космосе (в первую очередь) и пригодится во многих других областях.

Канадский стартап Xanadu, ранее отметившийся совместной работой с Nvidia над квантовыми симуляторами, сообщил о создании вычислительной квантовой системы на фотонах. Квантовое оборудование на фотонах можно использовать при комнатной температуре и размещать в обычных серверных стойках. Создав базовый набор стоек ничто не мешает произвести тысячи таких систем, что уже в ближайшей перспективе позволит изготовить квантовый вычислитель с миллионом кубитов.

Источник изображения: Nature 2025

Сделанное компанией Xanadu Quantum Technologies заявление означает, что имеющий практическую ценность квантовый компьютер не за горами. Сама компания надеется представить квантовый вычислитель с миллионом кубитов уже к 2029 году. Ни одна серьёзная компания в сфере разработки квантовых компьютеров ещё не позволяла себе давать столь смелые обещания. Остаётся надеяться, что Xanadu хотя бы попытается его выполнить.

В опубликованной на днях в журнале Nature работе специалисты Xanadu рассказали, на чём строится работа их системы и как она будет выглядеть. Комплект под названием Aurora представлен четырьмя стандартными серверными стойками, что, безусловно, намного удобнее и практичнее использования криогенных камер для сверхпроводящих кубитов. В одной стойке собраны лазерная система для формирования опорного и модулирующего лучей, а также оптическая система для их распределения и управления ими.

Следует сказать, что квантовые «оптические чипы» Xanadu оперируют физическими состояниями лазерных лучей, учитывая их рекомбинацию и сложение. В конечном итоге результатом вычисления алгоритма будет количество фотонов в лазерном луче на выходе из системы. Однако здесь есть важный нюанс, который Xanadu не акцентирует: хотя сам вычислительный комплекс действительно работает при комнатной температуре, датчики, подсчитывающие фотоны в результирующем луче, охлаждаются до криогенных температур. Для этого в соседней со стойками комнате размещено специальное холодильное оборудование, без которого система функционировать не сможет.

На данный момент в общей сложности в трёх вычислительных стойках задействовано 35 чипов, образующих массив из 12 кубитов для запуска алгоритма. В своей работе Xanadu не раскрывает механизмов коррекции ошибок — самого слабого места квантовых вычислений. Однако компания уверенно заявляет, что её платформа легко масштабируется до миллионов кубитов. В нижней части стоек расположены оптические цепи для связи между стойками, что позволяет соединять тысячи таких модулей. По сравнению с усилиями конкурирующих компаний этот процесс масштабирования выглядит значительно проще.

В Xanadu признают, что предложенное ими решение далеко от совершенства. В частности, в процессе обработки теряется часть света (фотонов), что ведёт к увеличению частоты ошибок. Тем не менее компания обещает совершенствовать платформу и не теряет надежды создать имеющий практическую ценность квантовый компьютер к 2029 году.

Для квантовых вычислений классические методы коррекции ошибок не подходят. Причина кроется в квантовой механике, которая на базовом уровне не позволяет фиксировать промежуточные результаты для дальнейшего сравнения. Новые методы коррекции ошибок частично справляются с этой задачей, но имеют множество ограничений. Учёные из Австрии смогли реализовать механизм коррекции ошибок с подключением двух разных алгоритмов, чем повысили точность расчётов.

Источник изображения: Helene Hainzer/University of Innsbruck

Промежуточные квантовые состояния кубитов, задействованных в расчётах, нельзя, например, сохранить для проверки чётности. Поэтому из нескольких физических кубитов создают один логический кубит, при этом часть физических кубитов в составе логического кубита запутывают определённым образом. Это позволяет отслеживать ошибки без разрушения цепочки вычислений и корректировать их.

Основная сложность заключается в том, что для разных групп логических элементов (гейтов) требуются различные коды коррекции. Учёные из Университета Инсбрука (University of Innsbruck) разработали методику, позволяющую переключать квантовый компьютер с одного оптимального кода на другой в процессе выполнения вычислений. Это значительно снизило частоту ошибок.

Свою методику исследователи испытали на квантовом компьютере с ловушками ионов. Компьютер состоял из 16 кубитов, из которых были созданы две независимые логические цепи. Каждая цепь обрабатывалась оптимальным для неё кодом коррекции ошибок. Переключение между логическими цепями происходило без возникновения ошибок, что подтвердило возможность использования двух независимых кодов в рамках одного вычислительного цикла.

В перспективе эта методика упростит исправление ошибок при масштабировании вычислений, экономно расходуя физические кубиты, которых никогда не будет много.

Сообщается, что в течение 2025 года компании Atom Computing и Microsoft поставят клиентам первые 1000-кубитные квантовые компьютеры. Это будут локальные системы на холодных нейтральных атомах, для которых Microsoft создала программную платформу для организации гибридных квантово-классических вычислений, а также базовые алгоритмы коррекции ошибок. Эти разработки позволят создать на компьютере массив из 50 логических кубитов для произвольных вычислений.

Источник изображений: Atom Computing

В компании Atom Computing подчёркивают, что они разработали локальную вычислительную систему, доступную для непосредственного использования клиентами. Кубиты создаются на основе охлаждённых атомов иттербия. Атомы доводятся в одной вакуумной камере до температуры, близкой к абсолютному нулю, и затем с помощью оптических пинцетов переносятся во вторую вакуумную камеру, где удерживаются в ловушках в конфигурациях, созданных по заданному алгоритму.

Конфигурации атомов представляют собой схему из соединённых гейтов — логических структур, предназначенных для обработки состояний входных кубитов. В 1000-кубитной системе этого года (точнее, 1200 кубитов) для создания схемы выполнения квантового алгоритма разработчики предлагают использовать около 50 логических кубитов. Важно отметить, что ряд конкурирующих компаний используют холодные нейтральные атомы для симуляции квантовых процессов. Это тоже своего рода расчёты, но универсальными такие платформы назвать нельзя. Компания Atom Computing изначально сочла такой подход неприемлемым и организует свои нейтральные холодные атомы в гейты.

«Atom Computing вообще никогда не интересовалась аналоговыми вычислениями [симуляциями], — говорит Реми Нотерманс (Remy Notermans), директор по стратегическому планированию компании. — Причина в том, что, когда мы говорим о долгосрочных отказоустойчивых квантовых вычислениях, на самом деле нужны компьютеры на базе гейтов. Очевидно, что я не могу читать мысли наших конкурентов, но мы увидели окно возможностей, где аналоговые вычисления с нейтральными атомами очень интересны. Однако для достижения долгосрочной цели создания отказоустойчивого квантового компьютера аналоговые вычисления не подходят».

У холодных нейтральных атомов, используемых в качестве кубитов, есть свои плюсы и минусы. Главный минус — операции с ними проходят ощутимо медленнее. Однако это компенсируется одним из самых длительных в отрасли времён когерентности, в течение которого можно запускать вычислительные алгоритмы и корректировать ошибки. Более того, ставка компании на атомные спины, а не на электронные, максимально увеличила время когерентности. Сегодня оно у них самое продолжительное в отрасли, а точность вычислений на уровне 99,6 % для двухкубитных гейтов является самой высокой в индустрии.

Считается, что абсолютно безошибочными квантовые вычисления станут после создания компьютера на 1000 логических кубитов из 1 млн физических. На практике всё может быть не так однозначно, но цель ясна — пытаться создавать системы с наибольшим возможным числом логических кубитов за счёт избыточности физических. В этом году Atom Computing и Microsoft предложат клиентам более 50 логических кубитов на более чем 1000 физических. На следующем этапе компании планируют начать поставки систем с более чем 100 логическими кубитами на более чем 10 тыс. физических. У компании нет узких мест, препятствующих масштабированию платформы, и она готова к развитию.

Интересно отметить, что в данном проекте в качестве партнёра участвует такой технологический гигант, как Microsoft. При этом у Microsoft есть свои собственные квантовые платформы и даже облачные сервисы в этой области. Однако в процессе поставки и развёртывания квантовых компьютеров Atom Computing компания Microsoft будет полноценно отвечать за свою часть — за коррекцию ошибок и создание гибридного стека с классическими компьютерами с использованием пакета Microsoft Azure Quantum. Этот пакет включает инструменты для виртуализации кубитов и упрощения работы с ними.

Со временем Atom Computing обещает начать поставки квантовых компьютеров для развёртывания облачных услуг. Однако для этого необходимо создать платформы следующего поколения, которые смогут приносить практическую пользу. Современные квантовые системы, а также решения ближайших лет, компания рассматривает как полигон для отладки алгоритмов и поиска оптимальных квантовых технологий. Чтобы квантовый компьютер обрёл практическую ценность, должно пройти ещё много лет.

Акции компаний, работающих в сфере квантовых вычислений, скатились вниз после того, как глава Nvidia Дженсен Хуанг (Jensen Huang) заявил, что ожидания рынка от квантовых вычислений слишком велики. По его мнению, до создания полезного квантового компьютера может пройти 15–30 лет. Точку зрения главы Nvidia разделяют не все эксперты.

Источник изображений: Nvidia

«Если бы вы сказали [что осталось ждать] 15 лет до появления полезных квантовых компьютеров, это, вероятно, было бы преуменьшением. Если бы вы сказали 30 лет, то, вероятно преувеличили бы. Но если бы вы выбрали 20 лет, я думаю, многие из нас поверили бы в это», — заявил Хуанг во время беседы с журналистами, отвечая на вопрос о перспективах дальнейшего роста технологий квантовых вычислений.

На этом фоне акции компаний, связанных с квантовыми вычислениями, обвалились. Так ценные бумаги Rigetti Computing подешевели на 40 %, акции IonQ потеряли в цене 37 %, а D-Wave Quantum — более 30 %. Компания Quantum Computing, которая недавно объявила о размещении акций для привлечения $100 млн, подешевела на 37 %.

«Поскольку оценки стали несколько завышенными, мы не увидели сегодняшней коррекции. Широкий консенсус уже давно говорит о том, что до начала массового применения квантовых вычислений ещё много лет, поэтому сегодняшние негативные новости не имеют под собой никакой реальной основы», — считает генеральный директор AXS Investments Грег Бассук (Greg Bassuk).

Генеральный директор D-Wave Quantum Алан Барац (Alan Baratz) уверен, что Дженсен Хуанг ошибается в своих оценках перспектив рынка квантовых вычислений. «Причина, по которой он ошибается, заключается в том, что мы в D-Wave уже сегодня занимаемся коммерцией. Не через 30 лет, не через 20 лет, не через 15 лет, но прямо сейчас, сегодня», — заявил Барац во время беседы с журналистами CNBC. Он также добавил, что разные компании, включая Mastercard и японскую NTT Docomo, «сегодня используют наши квантовые компьютеры в производстве для улучшения своих бизнес-операций». При этом D-Wave продолжает получать минимальную выручку. Продажи компании в последнем квартале упали на 27 % до $1,9 млн относительно аналогичного периода годом ранее.

В конце 2024 года вырос интерес инвесторов к квантовым вычислениям, чему способствовал анонс квантового процессора Google Willow. На этом фоне подскочила стоимость акций многих компаний, работающих в данном сегменте. К примеру, ценные бумаги Rigetti и D-Wave подорожали в сумме на 1449 % и 854 % соответственно.

В интернете полно видеороликов с виноградинами, буквально зажигающими в микроволновой печи. Разрезанная на две половинки ягода при включении микроволновки начинает искрить и вскоре ярко вспыхивает, демонстрируя опасные на первый взгляд эффекты. Казалось бы — сплошное развлечение, однако вдумчивый эксперимент показал, что за явлением стоит интересная физика, способная дать толчок в развитии квантовых детекторов.

Источник изображения: Fawaz, Nair, Volz

Впервые любительские эксперименты с поджиганием виноградин начались в 1994 году. Все они были одинаковы — виноградина разрезалась на две половинки так, чтобы они оставались соединены тонкой кожицей. Позже выяснилось, что это не обязательно. Достаточно, чтобы половинки или целые виноградины оставались рядом. Более того, аналогичный эффект в микроволновке проявляли крыжовник, большие ягоды ежевики и гидрогелевые шарики.

Во всех случаях физика была примерно одинаковая. Плотность винограда, например, оказывалась оптимальной, чтобы происходил разрыв клеток с последующей ионизацией молекул и их разрывами. Клеточная жидкость сама по себе электролит — содержит ионы, к которым добавлялись ионы, образующиеся под действием микроволнового излучения. Виноградины начинали испускать плазму, которая в потоке излучения воспламенялась.

В ходе очередного эксперимента в 2019 году выяснилось, что виноградины не обязательно должны быть соединены физически. Эффект проявляется, если они находятся рядом. В новой работе учёные поставили более тонкий эксперимент — они измеряли силу электромагнитного поля вблизи виноградин и без них. Для этого был изготовлен искусственный наноалмаз с азотными дефектами в кристаллической решётке. Дефекты реагировали на свет зелёного лазера, и по интенсивности их свечения можно было определить интенсивность микроволнового поля вблизи этого датчика.

Наноалмаз поместили на волновод, по которому передавался импульс зелёного лазера. Над наноалмазом разместили пару виноградин. Измерения показали, что в присутствии виноградин поле демонстрировало в два раза большую силу, чем без них. Это объясняется тем, что в случае оптимального размера ягод (около 27 мм в длину), пара создаёт «горячую точку» между одной и другой ягодой, усиливая приложенное излучение и повышая вблизи точки силу поля.

На обнаруженном эффекте можно создать целый спектр высокочувствительных датчиков для космоса, работающих в микроволновом диапазоне, включая поиск гипотетических частиц тёмной материи. Также открытие поможет продвинуться в квантовых вычислениях, где микроволновые излучения и поля играют ключевую роль. Но прежде необходимо сузить рамки эксперимента для выяснения более точных параметров элементов будущих датчиков. Поставленный эксперимент был достаточно грубым и не очерчивает границ возможного.

По сообщению пресс-службы физического факультета МГУ, 19 декабря 2024 года был проведен контрольный эксперимент, подтвердивший работу первого в стране 50-кубитного квантового компьютера. Установка была официально представлена в октябре этого года. Она создана в рамках многолетнего плана под патронажем «Росатома». Платформа подходит для масштабирования и постепенно позволит нарастить число кубитов до 300 и более.

Источник изображения: Пресс-служба физического факультета МГУ

Создание 50-кубитного квантового компьютера в России позволит в обозримом будущем найти практическое применение вычислителям такого класса. В ближайшее время начнётся отладка платформы для повышения точности выполнения двухкубитных операций.

«На новом этапе важно начать практическое применение квантовых инноваций. Атомная отрасль уже запустила программу пилотных внедрений квантовых вычислений. Мы рассчитываем на синергию в этой области усилий Росатома и научных коллективов страны, включая ЦКТ МГУ имени М.В. Ломоносова», — пояснила директор по цифровизации госкорпорации «Росатом» Екатерина Солнцева, которую цитирует пресс-служба университета.

Анонсированная МГУ платформа представляет собой так называемый оптический стол, большую часть которого занимает лазерная система, используемая для охлаждения и управления состояниями атомов, а также система со сверхвысоким вакуумом и оптическим доступом. Разработчики — специалисты Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова и Российского квантового центра — уточняют, что система будет доступна через облако. Пользователям неважно, размещён ли это прототип на открытом стенде или красиво упакованное в корпус изделие. Главное, чтобы компьютер работал.

Кстати, среди ведущих специалистов в области квантовых вычислений нет единого мнения о том, что такое квантовая платформа — вычислитель или симулятор. Происходящие в них процессы представляют собой квантовые явления, которые в полном объёме невозможно воспроизвести на классических компьютерах. Учёные как бы позволяют атомам, помещённым в определённые условия, вести себя так, как будто за ними никто не наблюдает, и затем изучают полученные результаты. Таким образом, задачи поиска новых материалов, разработки лекарств и даже оптимизации логистики решаются практически сами собой, но создание начальных условий и извлечение результатов — это поистине титанический и одновременно изощрённый труд.

Созданный в России вычислитель основан на одиночных нейтральных атомах рубидия, которые захватываются оптическими пинцетами (сфокусированными лазерными лучами). Именно благодаря использованию оптических пинцетов удалось относительно простыми средствами собрать 50-кубитную систему и планировать её расширение до 100 кубитов к 2030 году.

«В настоящий момент в Центре квантовых технологий МГУ мы можем создавать квантовые регистры из 50 атомов, расположенных в упорядоченном массиве, реализовывать операции над одиночными кубитами. <…> Нейтральные атомы в оптических пинцетах — хорошая система с точки зрения перспектив масштабирования, нам более-менее понятно, как дойти от систем из десятков кубитов к сотням и даже тысячам кубитов», — пояснил учёный, чьи слова приводит пресс-служба университета.