Классические компьютеры не подходят для решения новых фундаментальных задач в области физики и не только. В будущем учёным могут с этим помочь универсальные и устойчивые к ошибкам квантовые компьютеры, но такие появятся ещё нескоро. Однако если задачу нельзя просчитать, то почему бы не заняться экспериментами? Аналоговый квантовый симулятор может стать конструктором квантового мира, который поможет вскрывать самую загадочную физику за гранью теории.

Источник изображения: University College Dublin

Исследователи из Стэнфордского университета в США и Университетского колледжа Дублина (UCD) в Ирландии в журнале Nature Physics опубликовали работу, в которой рассказали о создании нового типа высокоспециализированного аналогового компьютера (точнее — симулятора). Учёные представили один элемент такого «компьютера» — два соединенных особым образом наноразмерных металло-полупроводниковых компонента, встроенных в электронную схему (см. фото выше).

Предложенное решение имитирует взаимодействие двух элементарных частиц, в данном случае — атомов и электронов. Имитация настолько глубокая, что модель сохраняет все квантовые свойства атомов от межатомного взаимодействия до физических свойств частиц. Масштабируя платформу — выстраивая вещество атом к атому, как конструктор из кубиков «Лего» — можно добиваться моделирования материи с заданными свойствами и смотреть на её реакцию при взаимодействии с другой материей и на изменение её свойств. Рассчитать такое на масштабной модели сегодня не представляется возможным, а симуляции такое по плечу.

Например, физики-теоретики пока не видят закономерностей для целенаправленного поиска материалов для высокотемпературной сверхпроводимости. Современные компьютеры не могут им помочь в расчётах, тем более что искать приходится вслепую. Моделирование поведения вещества на аналоговых квантовых симуляторах могло бы открыть путь к этому священному Граалю для энергетики и не только. Это позволит отставить теорию в сторону и проверить множество идей на практике.

Собственно, аналоговые квантовые симуляторы нового типа могут помочь в продвижении к универсальным квантовым компьютерам. К примеру, есть идея в качестве кубитов использовать такие квазичастицы, как парафермионы (группы электронов при особом взаимодействии). Заряды электронов в таком состоянии (Z3) равны 1/3 от обычного заряда. В лабораторных условиях учёные ещё не создавали такие частицы, а предложенная модель симулятора позволила их имитировать после соответствующей настройки напряжения на электродах. Фактически учёные в лаборатории создали материю, которой до этого в природе не было. И ведь её можно изучить после этого!

«Увеличив масштаб квантового симулятора с двух до многих наноразмерных компонентов, мы надеемся, что сможем моделировать гораздо более сложные системы, с которыми не могут справиться современные компьютеры, — сказал один из авторов работы. — Это может стать первым шагом к окончательному раскрытию некоторых из самых загадочных тайн нашей квантовой вселенной».

Специалисты компании Fujitsu провели исследование, которое может служить ответом на угрозу взлома RSA-ключей с помощью квантовых компьютеров. По данным компании, эта опасность крайне преувеличена. Запуск алгоритма на 39-кубитовом симуляторе показал, что до появления настоящей угрозы RSA-шифрованию пройдут долгие годы.

Источник изображения: Pixabay

Команда Fujitsu работала с одной из версий алгоритма Шора, который позволяет раскладывать большие числа на простые множители с помощью квантовых вычислителей. В рамках эксперимента удалось факторизовать 96 целых чисел типа RSA (произведение двух различных нечетных простых чисел) от N=15 до N=511 и подтвердить, что программа общего назначения может генерировать правильные квантовые схемы.

Затем специалисты использовали программу для генерации симулятора квантовых схем, с помощью которых они разложили на простые множители несколько RSA-ключей длиной от 10 до 25 бит и оценили требуемые ресурсы квантовых схем для взлома ключа длиной 2048 бит. Согласно расчётам, для факторизации числа RSA-2048 потребуется примерно 10 тыс. кубитов и 2,25 трлн вентилей с ними связанных (логических элементов). При этом отказоустойчивый квантовый компьютер с такой архитектурой должен будет работать 104 дня.

На основе расчётов команда Fujitsu сделала вывод, что до взлома с помощью алгоритмов Шора RSA-ключей криптографически значимой длины пройдут ещё многие годы, поскольку появление системы с 10 тыс. кубитов или классических компьютеров для её симуляции — этот вопрос довольно неблизкого будущего.

Исследование Fujitsu стало ответом на недавнюю статью китайских учёных, которые утверждают о возможности взломать ключ RSA-2048 с помощью квантовой системы на основе всего 372 кубитов. Китайцы использовали для доказательства концепции настоящий квантовый вычислитель на 10 сверхпроводящих кубитах. Они утверждают, что испытали алгоритм, кратно ускоряющий факторизацию. Использовали специалисты Fujitsu подобную оптимизацию или нет, не сообщается. Команда Fujitsu работала на суперкомпьютере Fugaku на архитектуре ARM, что, возможно, могло ограничить её специалистов в выборе алгоритмов.

Позже на этой неделе ожидается более подробный доклад о работе, которая будет представлена на конференции Symposium on Cryptography and Information Security 2023. Возможно мы узнаем больше подробностей.

Занимающаяся разработкой квантовых компьютеров компания IonQ анонсировала открытие «первого специального завода по производству квантовых компьютеров в США», который будет расположен в пригороде Сиэтла. Новое предприятие будет включать как производственные мощности, так и объекты для размещения команды исследований и разработок.

Источник изображения: IonQ

Завод площадью порядка 6000 м² будет расположен в Ботелле — пригороде Сиэтла. Здесь уже имеются предприятия компаний вроде Microsoft, Google, Amazon, Panasonic и Seattle Genetics, а также немало научных структур вроде Университета штата Вашингтон. В кампусе IonQ будет расположен как квантовый дата-центр, так и основные производственные мощности компании в Северной Америке. Предполагается, что в ближайшие годы IonQ создаст тысячи новых рабочих мест.

По словам главы IonQ Питера Чепмена (Peter Chapman), квантовые вычисления станут ключом к решению многих мировых проблем, включая изменения климата, дефицит энергии и проблемы с логистикой. Окрестности Сиэтла десятилетиями были хабом для технических инноваций, кроме того, там имеется немало квалифицированных кадров. Курировать проект будет доктор Дейв Мехюс (Dave Mehuys), один из бывших топ-менеджеров PsiQuantum с многолетним опытом работ в сфере квантовых вычислений.

Анонс стал последним событием в цепочке шагов, предпринимаемых IonQ на северо-западе тихоокеанского побережья США. Известно, что в 2022 году компания совместно с лабораторией Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) Министерства энергетики страны сообщила об организации устойчивых поставок бариевых кубитов для следующего поколения квантовых компьютеров IonQ.

Кроме того, квантовые системы IonQ уже доступны на двух облачных платформах региона — Amazon Braket и Azure Quantum. В прошлом году компьютер IonQ Aria получил имя самого мощного квантового компьютера в мире с показателем #AQ (Algorithmic Qubit), равным 23. В числе компаний и структур, заключивших корпоративные и федеральные контракты на поставку нового оборудования — Airbus, GE, Dow Chemistry, Hyundai Motors, Университет Мэриленда и даже Исследовательская лаборатория ВВС США.

Потенциальные преимущества квантовых расчётов с одновременным представлением каждого кубита бесконечным числом вариантов от 0 до 1 нивелируется их крайней нестабильностью. Учёные всего мира ищут возможность продлить квантовые состояния кубитов до возможности запуска на них сложных алгоритмов. Речь идёт хотя бы о секундах, не говоря о более длительном времени. Возможно, с этим смогут помочь немецкие учёные, которые предложили новый тип кубитов.

Источник изображения: Dennis Rieger, KIT

Исследователи из Технологического института Карлсруэ разработали сверхпроводящие кубиты, которые они назвали «гральмониевыми» (gralmonium) по аналогии с уже разработанными флюксониевыми кубитами. Традиционно сверхпроводящие кубиты используют так называемый эффект Джозефсона и структуру (переход), называемый джозефсоновским контактом. Квантовые состояния на таких контактах остаются неизменными тем дольше, чем меньше дефектов в материале. Но определить чистоту материала можно до определённой степени. Разработка немецких учёных обещает помочь с этим и вывести сверхпроводящие квантовые кубиты на новый уровень стабильности.

Сообщается, что вместо двух алюминиевых пластин, разделённых слоем диэлектрика, на чём обычно строится джозефсоновский контакт, исследователи взяли гранулированный алюминий с размерами гранул в несколько нанометров и поместили его в оксидный каркас. После процесса самоорганизации в структуре материала возникло множество микроскопических джозефсоновских контактов, что позволило детектировать мельчайшие дефекты в материале. Джозефсоновский контакт размерами 20 нм как увеличительное стекло выявил все неразличимые до этого дефекты, отметили учёные.

Столь небольшой по размерам джозефсоновский контакт открывает путь к значительному улучшению свойств кубитов, включая повышение их стабильности. Разработка запатентована и ждёт своего развития, которое, очевидно, вскоре последует.