Японский научно-исследовательский институт RIKEN и компания Fujitsu объявили об успешной разработке квантового компьютера на 64 сверхпроводящих кубитах. Авторы проекта также подготовили гибридную платформу квантовых вычислений, доступ к которой они предоставят своим партнёрам.

Источник изображения: fujitsu.com

Новый квантовый компьютер основан на технологии, разработанной RIKEN и группой партнёров института, включая Fujitsu, которая использовалась в предыдущей совместной квантовой системе, представленной в минувшем марте. Fujitsu и RIKEN также объявили о запуске платформы гибридных квантовых вычислений, которая объединяет вычислительную мощность системы на 64 сверхпроводящих кубитах и одного из крупнейших в мире симуляторов квантового компьютера на 40 кубитов. Для работы нового комплекса разрабатывается гибридный квантовый алгоритм, связывающий квантовые вычисления с традиционными высокопроизводительными вычислениями (HPC). Он сможет использоваться для работы в различных областях, включая разработку медицинских препаратов и финансовых алгоритмов.

Разработка квантовых компьютеров сегодня продвигается быстрыми темпами, но лежащие в их основе технологии пока относятся к эпохе NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum era), которая характеризуется высоким несовершенством: помехи из окружающей среды пока оказывают слишком сильное влияние на квантовые вычисления. Отказоустойчивый квантовый компьютер или FTQC (Fault-Tolerant Quantum Computer), способный обеспечивать надёжные и точные результаты, появится не менее чем через десятилетие. Поэтому в Fujitsu и RIKEN решили применить гибридный подход, подключив к настоящему квантовому компьютеру его симулятор, который не подвержен ошибкам.

Для проверки работы системы разработчики применили её для расчёта энергии основного состояния молекулы H12 — цепочечной молекулы из 12 атомов водорода — и объединили алгоритм с технологией коррекции квантовых вычислений на основе искусственного интеллекта, призванной смягчить шумовые эффекты в квантовых компьютерах. Fujitsu и RIKEN также доложили, что продолжается разработка квантового компьютера на 1000 кубитов.

Агентство Nikkei сообщило, что в понедельник в Японии запустили первый квантовый компьютер отечественной разработки. Установку спроектировали и построили институт RIKEN и компания Fujitsu. Квантовая система может оперировать 64 кубитами, что намного больше ранее размещённого в Японии квантового компьютера IBM на 27 кубитах. Желающих воспользоваться системой через облачный доступ оказалось так много, что пришлось вводить очередь.

Источник изображения: Tomoki Mera \ asia.nikkei.com

Японские компании сильно отстали от США и даже от Китая в разработке квантовых технологий. Несколько лет назад правительство Японии предприняло ряд мер организационного порядка и немного помогло с финансированием, чтобы процесс начал набирать силу. Компания Fujitsu и институт RIKEN были среди тех, кто начал совместную работу над принципиально новыми вычислительными системами. Они пообещали и достигли первого этапа в работе — представили отечественную 64-кубитовую вычислительную платформу. В 2025 году партнёры обещают запустить 100-кубитовый вычислитель, а ещё год спустя — 1000-кубитовый.

«Крупные зарубежные игроки, такие как Google, могут казаться лидерами в этой области, но у нас есть место для конкуренции», — сказал Синтаро Сато (Shintaro Sato), глава квантовой лаборатории Fujitsu.

В то же время нигде в мире пока нет ясного понимания, как и для каких задач лучше всего использовать квантовые вычислители. RIKEN и Fujitsu также будут прорабатывать эти вопросы. В частности, RIKEN займётся прикладной частью вместе с японскими предприятиями и университетами, а Fujitsu будет изучать возможные приложения совместно с Fujifilm и Tokyo Electron.

Распространено мнение, что квантовые вычисления могут ускорить разработку новых материалов в десять раз, в том числе в областях, имеющих решающее значение для декарбонизации, таких как батареи для электромобилей и искусственный фотосинтез.

Несколько лет назад пионером в исследованиях по использованию квантовых вычислений для разработки материалов для батарей стала Mitsubishi Chemical Group. Как и компании Toyota Motor и Sony Group, тоже заинтересованные в разработке новых технологий и материалов, Mitsubishi воспользовалась услугами 27-кубитового компьютера IBM, развёрнутого в 2021 году в Кавасаки. Можно не сомневаться, что более мощная отечественная квантовая система в полной мере будут востребована этими и другими компаниями. Это будущее, которое уже наступило. Упускать из рук такое нельзя.

За прошедший год в мире зародилось множество проектов по созданию гибридных вычислительных систем, состоящих из связанных между собой квантовых компьютеров и классических суперкомпьютеров. Таким образом, квантовые системы начнут осваивать ниши практических вычислений задолго до появления универсального квантового вычислителя. Продвинутые в создании суперкомпьютеров японцы спешат воспользоваться этим преимуществом и создать рабочее решение к 2025 году.

Источник изображения: Riken Quantum Computing

Подключить к будущей квантовой системе в Японии планируют ни много ни мало, а систему с сильнейшим мировым уровнем, которая до 2022 года целых два года удерживала первое место в списке мощнейших суперсистем мира — это компьютер Fugaku совместной разработки и производства компании Fujitsu и Института физико-химических исследований RIKEN. Будущего квантового партнёра этой системы Fujitsu и RIKEN также будут создавать вместе, и первый его прототип построят в городе Вако префектуры Сайтамо (недалеко от Токио) уже к марту текущего года.

Ожидается, что суперкомпьютеры смогут частично смягчить такие «детские болезни» квантовых систем, как вероятностный характер вычислений (значительный уровень ошибок) и короткое время жизни квантовых состояний кубитов. Отметим, сегодня кубиты фактически подключаются к обычным компьютерам, которые устанавливают и считывают их состояния в процессе исполнения алгоритмов, поэтому ничего принципиально нового и сложного в гибридных квантово-классических вычислениях нет. Но и уровень сложности будущей задачи нельзя преуменьшать — согласованная работа в режиме расчётов потребует новых программных сред, инструментов и даже алгоритмов.

Для подготовки к будущей совместной работе Fugaku и пока безымянной квантовой системы институт RIKEN создаёт команду разработчиков, которая с 2023 года будет заниматься изучением различных методов и инструментов расчёта для облегчения передачи данных между квантовым компьютером и Fugaku. Запуск системы в работу ожидается в 2025 году. Вскоре после этого партнёры намерены довести гибридную систему до уровня «безошибочного» квантового компьютера. Компания Google, например, обещает создать исключительно квантовый вычислитель без ошибок к 2029 году. Японские инженеры намерены обогнать в этом Google за счёт гибридного подхода.

Кремниевые кубиты менее популярны, чем сверхпроводящие кубиты и кубиты на ионных ловушках, для которых создано множество алгоритмов с более-менее успешной реализацией коррекции ошибок. Тем не менее, прорыв вероятен именно в сфере кремниевых квантовых процессоров — их заметно проще выпускать на имеющейся технологической базе. Другое дело, что алгоритмы коррекции на кремниевых кубитах далеки от совершенства.

Алюминиевые затворы (пурпурные и зелёные) под электронным микроскопом. Источник изображения: RIKEN

О прорыве в разработке решений для успешной коррекции ошибок на кремниевых спиновых кубитах сообщили японские учёные из центра Riken Center for Emergent Matter Science. Год назад команда центра создала трёхкубитовую кремниевую схему, с помощью которой показала возможность запутать все три кубита вместе. Исследователи пошли дальше и представили на базе этой разработки полностью управляемую трёхкубитную логическую схему.

Учёные представили своего рода квантовый логический элемент — полупроводниковый чип в виде трёхвходовых квантовых ворот типа Тоффоли (Toffoli) с тремя же выходами (вентиль НЕ с двойным управлением). В опубликованной в журнале Nature статье учёные доказали, что предложенная схема полностью управляется и способна исправлять ошибки в процессе вычислений. По словам авторов, это самая большая в мире кремниевая квантовая схема с коррекцией ошибок. Ранее компания Intel могла похвастаться работой двухкубитовых квантовых кремниевых процессоров, которые выполняли условно любые алгоритмы и исправляли ошибки.

Реализация на трёх кремниевых кубитах ворот типа Тоффоли. Источник изображения: Nature

По словам Сейго Таруча (Seigo Tarucha), руководителя исследовательской группы, «нашим следующим шагом будет масштабирование системы, для чего было бы неплохо сотрудничать с группами полупроводниковой промышленности, способными производить квантовые устройства на основе кремния в больших масштабах».

Компания Fujitsu совместно с Институтом физико-химических исследований RIKEN планируют начать коммерческое производство квантовых компьютеров в 2023 году. Fujitsu стала первой компанией в стране, проявившей готовность коммерциализировать подобные технологии.

Источник изображения: Fujitsu

Пока в индустрии квантовых компьютеров доминируют компании вроде Google. При этом такие машины рассматриваются в мире как решения новейшего поколения, способные оказать непосредственное влияние на конкурентоспособность страны и её национальную безопасность. По оценкам Boston Consulting Group, квантовые вычисления к 2040 году смогут приносить экономический эффект на $850 млн ежегодно — благодаря разработке новых материалов и других прорывных технологий.

Для разработок Fujitsu и RIKEN основали в апреле прошлого года исследовательскую базу в городе Вако префектуры Сайтамо, в работах участвуют порядка 20 учёных. Предполагается, что компьютеры будут использовать для составления точных прогнозов погоды, в разработке новых материалов, медицине и многих других сферах. В компании обещают, что компьютеры смогут купить различные компании уже в следующем фискальном году, начинающемся в апреле.

Известно, что исследования в области новых материалов с использованием принципов квантовых вычислений Fujitsu начала ещё в апреле, совместно с Fujifilm. По данным портала Nikkei Asian Review, японские компании отстали от зарубежных конкурентов в разработке квантовых компьютеров, поэтому Fujitsu станет первой компанией, начавшей строить «домашнюю» систему с помощью технологий RIKEN и сверхпроводников с системами охлаждения до экстремально низких температур.

В 2019 году Google стала героем новостей, заявив, что её квантовый компьютер смог за 3 минуты решить задачу, на которую суперкомпьютеру пришлось бы потратить 10 тыс. лет. Впрочем, позже это утверждение опровергли. Известно, что определённых успехов добились и китайские техногиганты. Кроме того, выросло число связанных с квантовыми вычислениями стартапов. Впрочем, пока возможности существующих систем ограничены. Google намерена коммерциализировать свои разработки только в 2029 году, но пока на этом пути ещё довольно много препятствий.

Ожидается, что коммерческий квантовый компьютер Fujitsu сможет предложить 64 кубита — больше, чем 53 кубита машины Google 2019 года. При этом он будет уступать решению IBM с её 27 кубитами, введённому в эксплуатацию в 2021 году. Впрочем, у Fujitsu намного более амбициозные цели. В компании рассчитывают, что после марта 2027 года компания выпустит машину более чем на 1000 кубитов. Ранее сообщалось, что учёные создали алгоритм для оценки производительности квантовых компьютеров, который позволяет «путешествовать во времени»