Данные берутся из публикации Больше кубитов — меньше ошибок? Да, но торопиться не надо…

Желающие отточить навыки программирования квантовых компьютеров получили возможность работать на новейшей платформе калифорнийского стартапа Rigetti Computing. Компания открыла облачный доступ к 84-кубитной системе на новейшем процессоре Ankaa-3. Платформа Rigetti использует классические сверхпроводящие кубиты, что может сделать её новую платформу наиболее востребованной среди пользователей.

Квантовый процессор и компьютер компании Rigetti Computing. Источник изображения: Rigetti Computing

Как уверяют в Rigetti, благодаря модернизированной архитектуре точность квантовых вентилей существенно повышена, что приводит к более достоверным результатам вычислений. В частности, в 2024 году удалось вдвое снизить частоту ошибок и достичь средней точности iSWAP-вентилей на уровне 99,0 %, а также продемонстрировать среднюю точность fSim-вентилей на уровне 99,5 %. Среднее время выполнения операций для элементов iSWAP составило 72 нс, а для fSim — 56 нс. Вентили fSim компания называет оптимизированными для выборки случайных схем, что делает их аналогичными квантовым чипам Google и её новейшему процессору Willow.

Компания Rigetti улучшила не только архитектуру кубитов, но также провела модернизацию всей цепочки производства квантовых процессоров: от методов нанесения металлизации на отдельные элементы, такие как сверхпроводящие джозефсоновские переходы, до организации кубитов в массивы для коррекции ошибок. Кубиты Rigetti представляют собой джозефсоновские переходы, резонаторы и радиочастотные датчики, которые в составе платформы охлаждаются до температуры чуть выше абсолютного нуля (около 10 мК). Для производства таких кубитов используется адаптированный техпроцесс выпуска микроэлектромеханических систем (МЭМС), хорошо известный в полупроводниковой отрасли.

В 2024 году компания планирует представить следующее поколение своей квантовой модульной архитектуры. Например, ближе к лету появится 36-кубитная система, основанная на четырёх 9-кубитных чипах, соединённых вместе. Это позволит вдвое снизить частоту ошибок по сравнению с текущим уровнем. К концу 2025 года Rigetti планирует выпустить систему с более чем 100 кубитами, что также приведёт к двукратному снижению частоты ошибок по сравнению с сегодняшним днём.

Кроме того, Rigetti Computing вскоре предоставит облачный доступ к своему новейшему 84-кубитному компьютеру через сторонние платформы, такие как Amazon Braket и Microsoft Azure.

Учёные из Северо-Западного университета США (Northwestern University) первыми в мире, как они утверждают, осуществили квантовую телепортацию по интернет-кабелю, загруженному посторонним трафиком. Им удалось передать запутанные состояния двух фотонов на расстояние 30,2 км по тому же оптоволокну, по которому шёл обмен обычными данными, а затем зафиксировать факт коллапса волновой функции и мгновенной телепортации квантового состояния.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Пока остаются серьёзные сомнения в том, можно ли использовать обычные коммуникации для передачи квантовых состояний — иначе говоря, для создания глобального квантового интернета без развёртывания новой отдельной инфраструктуры. Работа исследователей из США, опубликованная сегодня в журнале Optica, даёт основания полагать, что квантовые данные можно будет передавать по существующим линиям оптической связи.

Эксперимент проводился в лаборатории на катушке оптического кабеля длиной 30,2 км. Забегая вперёд, отметим, что на следующем этапе учёные попытаются телепортировать квантовые состояния через реальную интернет-сеть. В лабораторных условиях исследователи, насколько это было возможно, воспроизвели работу сети интернет в обычных условиях. По кабелю передавался интернет-трафик с полосой пропускания 400 Гбит/с в диапазоне C. Основной задачей было подобрать для двух запутанных фотонов такой частотный диапазон, чтобы их состояния не разрушились до измерения (до завершения передачи на другой конец линии). Также учёные разработали систему фильтров, чтобы минимизировать помехи от обычного трафика.

«Это невероятно захватывающе, потому что никто не думал, что это возможно, — заявил Прем Кумар (Prem Kumar) из Northwestern, руководитель исследования. — Наша работа показывает путь к квантовым и классическим сетям следующего поколения, разделяющим единую волоконно-оптическую инфраструктуру. По сути, это открывает дверь для вывода квантовых коммуникаций на новый уровень».

Следует уточнить, что квантовая телепортация не переносит информацию в традиционном понимании. Квантовое состояние фотона заранее неизвестно. Попытка его определить до передачи, например измерить направление спина, приведёт к коллапсу волновой функции, и тогда просто нечего будет отправлять. А раз мы не знаем, что передаём, смысла в телепортируемой информации нет. Однако можно телепортировать квантовые состояния, что лежит в основе квантовой криптографии. Если такое сообщение перехватят, об этом мгновенно станет известно, независимо от расстояния между запутанными фотонами.

Схема эксперимента. Источник изображения: Optica 2024

Учёные из Северо-Западного университета продемонстрировали, что на примере загруженной трафиком обычной волоконно-оптической линии запутанные фотоны можно передавать одновременно с обычными данными. Квантовое состояние сохраняется до конца передачи и при измерении телепортируется. Это открывает возможность для сосуществования квантовой криптографии и традиционного интернет-трафика. Но исследователи намерены идти дальше. Их интересует передача запутанных состояний другим парам фотонов, чтобы они участвовали в распределённых квантовых вычислениях. Только так можно будет наложить квантовый интернет на существующую инфраструктуру интернета.

Неделю назад Google сообщила о создании самого мощного в мире квантового процессора Willow с 105 сверхпроводящими кубитами. Этот процессор поддерживает передовую технологию коррекции ошибок, решая одну из самых сложных проблем квантовых вычислений. Прошло всего семь дней, и китайские учёные поведали о создании квантового процессора Zuchongzhi 3.0 («Дзучунжи-3»), который, по их словам, ничем не уступает Google Willow. Китай не отстаёт от США в квантовых технологиях.

105-кубитовый китайский процессор Zuchongzhi 3.0 («Дзучунжи-3») на сверхпроводящих кубитах. Источник изображения: CCTV

Квантовые вычисления обещают экспоненциальное ускорение расчётов благодаря особенностям квантовой механики, таким как суперпозиция и запутанность квантовых битов — кубитов. Чаще всего речь идёт о симуляциях. Например, квантовые системы (процессоры и компьютеры) могут воспроизводить поведение атомов в кристаллических решётках, позволяя проводить эксперименты «вычисляя ответ» без использования физических образцов. Кроме того, квантовые платформы отлично справляются с задачами оптимизации, где обработка огромного объёма данных заменяется переходом квантовой системы в состояние с минимальной энергией (так называемый квантовый отжиг).

В обоих случаях, будь то вычисления или симуляции, больше всего ресурсов требуется для коррекции ошибок. Один из популярных методов борьбы с ними — поверхностный код, который представляет собой матрицу из физических кубитов. Размер этой матрицы напрямую влияет на точность и скорость выполнения расчётов.

Google утверждает (пока без детальных объяснений), что добилась значительного прорыва в использовании поверхностного кода для коррекции ошибок. В свою очередь, китайские учёные из Университета науки и технологий Китая (USTC) в своей статье, пока ещё не прошедшей рецензирование, заявили, что также совершили прорыв в этом направлении и намерены развивать свои технологии.

Через несколько месяцев процессор Zuchongzhi 3.0 («Дзучунжи-3») может продемонстрировать уровень коррекции ошибок, превосходящий достижения компании Google, если исходить из заявлений китайских исследователей.

Недавнее заявление Google о создании квантового чипа Willow с вычислительной мощностью в 105 кубитов спровоцировало обсуждения по поводу угрозы квантовых технологий для криптографических алгоритмов Bitcoin, таких как Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA) и Secure Hash Algorithm (SHA-256). Тем не менее, эксперты отмечают, что для реального взлома криптографической защиты биткоина потребуется несколько миллионов кубитов, и такая угроза остаётся весьма отдалённой.

Источник изображения: Traxer / Unsplash

ECDSA, алгоритм проверки цифровой подписи при помощи криптографии на эллиптических кривых, обеспечивает создание и проверку цифровых подписей, подтверждающих подлинность транзакций и право владельца на управление средствами. SHA-256, алгоритм криптографического хеширования, выполняет ключевую роль в обеспечении целостности данных блокчейна и формирует основу механизма доказательства выполнения работы (Proof-of-Work), позволяя сети надёжно защищать транзакции и подтверждать новые блоки. Эти технологии являются фундаментом криптографической защиты Bitcoin, однако с развитием квантовых вычислений их устойчивость может подвергнуться серьёзным испытаниям.

Аналитики Bernstein подчёркивают, что, несмотря на стремительное развитие квантовых технологий, практическая угроза для криптографических стандартов Bitcoin остаётся весьма отдалённой, поскольку текущие квантовые компьютеры не обладают достаточной мощностью для таких атак. Однако сообщество Bitcoin уже активно обсуждает переход на квантово-устойчивые криптографические алгоритмы, способные заменить существующие стандарты.

Переход на квантово-устойчивую криптографию сопряжён с серьёзными техническими вызовами. Как отмечает разработчик и создатель протокола Bitcoin STAMPS, известный под псевдонимом Mike In Space, квантово-устойчивые цифровые подписи имеют значительно больший размер, что потребует увеличения размера блока и, соответственно, изменений в архитектуре сети. Такая модификация может потребовать хардфорка, который, в случае разногласий внутри сообщества, способен привести к расколу сети. Альтернативным решением может стать мягкий форк, однако он потребует длительного и дорогостоящего процесса перевода средств пользователей на новую систему, что в условиях текущих ограничений по размеру блока может занять годы.

Чарльз Эдвардс (Charles Edwards), основатель Capriole Investments, предостерегает, что угроза квантовых вычислений может стать реальностью уже в ближайшие 5–10 лет. По его оценке, квантовый компьютер с 2500 логическими кубитами будет способен скомпрометировать безопасность алгоритма SHA-256, который играет важную роль в защите блокчейна Bitcoin. Эдвардс подчёркивает необходимость немедленных действий, поскольку согласование квантово-устойчивых криптографических стандартов и их внедрение может занять годы. Задержки в реализации этих мер могут существенно сократить временной запас для защиты сети от новых угроз.

Развитие квантовых вычислений представляет собой угрозу не только для криптовалют, но и для широкого спектра современных технологий. Под угрозой оказываются банковские счета, системы безопасного хранения данных, коммуникационные протоколы и другие решения, которые зависят от криптографических стандартов, таких как RSA, ECDSA и AES. Эта проблема носит глобальный характер, требуя координированных усилий разработчиков, учёных и регуляторов для создания и внедрения квантово-устойчивых алгоритмов, которые помогут минимизировать риски, вызванные стремительной технологической революцией.

Аналитики Bernstein отметили, что снижение цены биткоина после преодоления отметки $100 000 было вызвано рыночными факторами, включая избыточное использование кредитного плеча, что привело к усилению волатильности. Тем не менее, эксперты сохраняют оптимизм, рекомендуя инвесторам «оставаться в длинной позиции». Они подчёркивают, что уровень $95 000–98 000 остаётся привлекательным для долгосрочных вложений, особенно на фоне высокого спроса на ETF и активности корпоративных инвесторов. По их прогнозам, цена биткоина может достичь $200 000 в течение следующих 12 месяцев, что делает текущие уровни привлекательными для стратегических инвесторов.

Учёные из Австралии сообщили о разработке «трёхмерных» топологических кодов коррекции ошибок квантовых вычислений. Предложенная ими схема использует для коррекции меньше физических кубитов в пересчёте на один логический кубит. Новшество обещает приблизить появление «квантовых жёстких дисков» — хранилищ квантовых состояний для вычислений с невообразимым уровнем производительности.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Как известно, время когерентности кубитов — время удержания запутанных квантовых состояний — очень маленькое по причине их высочайшей нестабильности. И если с физикой бороться предельно сложно, то операции коррекции ошибок могут помочь в проведении безошибочных вычислений. Классические компьютеры это показали с достаточной убедительностью. Но в случае операций с кубитами всё намного сложнее — для них нужны свои коды и механизмы коррекции.

Традиционным методом исправления ошибок в квантовых вычислениях признан так называемый топологический код или поверхностный код, у которого также есть другие названия. Это своего рода таблица или матрица, которая требует физической или схемотехнической реализации логических кубитов из нескольких физических. В идеале для безошибочной работы каждого логического кубита необходимо 1000 физических кубитов, но на таком подходе масштабируемую вычислительную квантовую платформу построить нельзя.

Учёные из Австралии поставили перед собой задачу уйти от традиционного поверхностного кода и создать его трёхмерный аналог, который помог бы облегчить создание квантового вычислителя или симулятора с более эффективной коррекцией ошибок и экономным расходованием физических кубитов. Как недавно они сообщили в журнале Nature Communications, им это удалось.

«Предлагаемая нами квантовая архитектура потребует меньше кубитов для подавления большего количества ошибок, высвободив больше для полезной квантовой обработки», — говорится в заявлении ведущего автора работы Доминика Уильямсона (Dominic Williamson), исследователя из Нано-института и школы физики Университета Сиднея (University of Sydney Nano Institute and School of Physics).

«Этот прогресс имеет решающее значение для разработки масштабируемых квантовых компьютеров, поскольку позволяет создавать более компактные системы квантовой памяти, — сказано в аннотации к работе. — За счёт сокращения физических затрат на кубиты полученные результаты прокладывают путь к созданию более компактного "квантового жёсткого диска" — эффективной системы квантовой памяти, способной надёжно хранить огромные объёмы квантовой информации».

Швейцарские учёные впервые придали кубиту осязаемые физические черты. Вместо ионов, атомов и электромагнитных ловушек они предложили кубит на основе резонирующей пьезоэлектрической мембраны. Тем самым учёные значительно повысили время когерентности кубита, в течение которого он дольше остаётся в состоянии суперпозиции. Это открывает возможность проводить с ним квантовые вычисления или использовать его в качестве сверхчувствительного датчика

Два серых прямоугольника слева — это сверхпроводящий кубит, а точка справа — резонатор. Источник изображения: ETH Zürich

Учёные давно научились транслировать квантовые свойства элементарных частиц и атомов в состояния кубитов для вычислений или измерений. Однако эти методы страдают от высокой вероятности ошибок и крайне малого времени удержания квантовых состояний, что затрудняет свободное манипулирование ими. Было бы заманчиво воспроизвести квантовые состояния на макроскопическом уровне, обучив систему реагировать на изменения на микроуровне. Этого удалось добиться исследователям из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zürich).

Учёные объединили сверхпроводящий кубит и пьезоэлектрический резонатор. Предложенное решение позволило транслировать состояние суперпозиции в резонансные колебания мембраны. По сути, это первый полностью механический кубит, утверждают исследователи. В ходе серии экспериментов они доказали, что устройство способно реагировать на одиночные фотоны. Время когерентности механического (точнее, акустического) кубита значительно превышает время когерентности «бозонных» кубитов и напрямую зависит от типа используемых сверхпроводящих материалов.

На следующем этапе учёные намерены проверить предложенный ими механический кубит в составе вычислительных схем квантового компьютера, а также использовать его в качестве сенсора для различных измерений.

Компания Nvidia поможет Alphabet, материнской компании Google, в разработке квантовых процессоров. Согласно заявлению обеих компаний, подразделение Google Quantum AI будет использовать суперкомпьютер Nvidia Eos для ускорения проектирования квантовых компонентов.

Источник изображений: Nvidia

Идея состоит в том, чтобы на базе суперкомпьютера Nvidia Eos моделировать физические процессоры, необходимые для работы квантовых процессоров, что поможет преодолеть текущие ограничения в разработке по-настоящему эффективных квантовых систем.

Квантовые вычисления основаны на принципах использования квантовой механики для создания машин, которые будут намного быстрее, чем современные технологии на основе полупроводников. Однако для массового характера использования таких технологий время пока не пришло. Как сообщает Bloomberg, несмотря на то, что различные компании заявляли о прорывах в области квантовых вычислений, могут потребоваться десятилетия, чтобы на рынке появились действительно крупномасштабные коммерческие проекты, связанные с квантовыми вычислениями.

Nvidia, самая дорогая компания в мире, считает, что её аппаратные технологии помогут Google решить одну сложную проблему, связанную с квантовыми вычислениями. По мере того, как квантовые процессоры становятся всё более сложными и мощными, в квантовых вычислениях становится всё сложнее различать фактическую информацию и помехи, известные как шум.

«Разработка коммерчески полезных квантовых компьютеров возможна только в том случае, если мы сможем масштабировать квантовое оборудование, контролируя шум. Используя ускоренные вычисления Nvidia, мы изучаем влияние шума на растущую сложность схем квантовых чипов», — прокомментировал Гифре Видал (Guifre Vidal), научный сотрудник Google Quantum AI.

Для поиска решений Nvidia предлагает использовать гигантский суперкомпьютер, в котором используются её ИИ-ускорители. С помощью суперкомпьютера будут моделироваться процессы взаимодействия квантовых систем с окружающей средой. Например, многие квантовые чипы необходимо охлаждать до очень низких температур, чтобы они вообще работали.

Раньше такие вычисления были чрезвычайно дорогими и отнимали много времени. Nvidia заявляет, что её система будет выдавать результаты расчётов, на которых ранее ушла бы неделя, за считанные минуты, и это обойдётся значительно дешевле.

Две недели назад Apple представила новое поколение MacBook Pro — компьютеры получили чипы M4 Pro и M4 Max. Но в ходе анонса компания не сообщила, что ещё одним нововведением стали более качественные дисплеи на квантовых точках.

Источник изображения: apple.com

Apple до сих пор устанавливает на MacBook ЖК-экраны IPS, пусть и более качественные, чем на большинстве других ноутбуков. Производитель указывает, что в них используется усовершенствованная подсветка miniLED — небольшие светодиоды, которые позволяют локально осветлять или затемнять участки экрана. Другими словами, базовая технология для этих дисплеев не меняется довольно давно, но удалось добиться заметного улучшения яркости и контрастности.

В предыдущих моделях MacBook Pro на процессорах серии Apple M использовалась красная фосфорная плёнка KSF, которая обеспечивает с подсветкой miniLED более широкую цветовую гамму, чем это обычно возможно. Это достаточно эффективное решение, но не настолько, насколько эффективны квантовые точки, которые, по словам аналитика в области дисплеев Росса Янга (Ross Young), без громких анонсов дебютировали в MacBook Pro с процессорами M4. В комментариях к его сообщению в соцсети X пользователи добавили, что выросла и скорость отклика дисплеев на компьютерах нового поколения.

Технология квантовых точек существует довольно давно, но Apple не спешила внедрять её, потому что квантовые точки предыдущих поколений производились с использованием кадмия. Компания ещё в 2015 году сообщила, что не желает использовать его — Всемирная организация здравоохранения объявила, что для человека это канцероген, а переработка и утилизация содержащей кадмий электроники опасны.

Квантовые состояния крайне нестабильны, но обладают невероятными возможностями. То же состояние квантовой запутанности Эйнштейн называл «ужасным» и не мог до конца принять, что запутанные атомы могут «чувствовать» друг друга на разных концах Вселенной. Такие свойства неоценимы для проведения сверхчувствительных измерений и даже для поиска новой физики, но им мешает чрезвычайная краткость времени когерентности, которую преодолели учёные из Китая.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

На сайте arXiv появилась статья исследователей из Университета науки и технологий Китая, в которой заявляется об удержании квантовых состояний атомов в течение 23 минут, что можно считать абсолютным рекордом. Обычно время когерентности не превышает нескольких миллисекунд, что кратно меньше нового достижения. Статья пока не прошла рецензирование и должна восприниматься с осторожностью. Однако если другие коллективы смогут повторить опыт китайских учёных, то это станет крупным прорывом в разработке квантовых технологий.

Эксперимент заключается в охлаждении 10 тыс. атомов иттербия до нескольких тысячных градуса выше абсолютного нуля, которые затем были пойманы в ловушку электромагнитными полями лазерного излучения. В этих условиях квантовыми состояниями атомов можно было очень точно управлять, и исследователи воспользовались этим, чтобы перевести каждый атом в суперпозицию двух состояний с наиболее сильно отличающимися спинами.

Точная настройка лазеров — оптических ловушек — позволила удерживать атомы в состоянии суперпозиции 1400 секунд или 23 мин. Этого времени будет достаточно для постановки экспериментов в квантовой физике, для измерений с погрешностью менее квантового предела (это так называемое квантовое превосходство в метрологии), для квантовой компьютерной памяти, наконец.

Китайские учёные опубликовали в национальном рецензируемом журнале Chinese Journal of Computers статью, в которой сообщили об эффективных атаках на ряд алгоритмов AES-шифрования. Атаки были проведены с использованием квантового компьютера канадской компании D-Wave Systems. Но основным «ударным» механизмом стал новый математический аппарат, разработанный в Китае. Специалисты оценили угрозу как «реальную и существенную».

1200-кубитовый процессор поколения Advantage 2. Источник изображения: D-Wave

Шифрование AES с ключами выше определённой длины сегодня считается чрезвычайно защищённым. Но это с точки зрения обычных компьютерных вычислений. Квантовые компьютеры и соответствующие алгоритмы потенциально обещают играючи взламывать ключи AES. Считается, что для этого должно пройти 10, 20 или даже больше лет. Однако есть опасения и признаки того, что всё произойдёт намного раньше — уже через 3-5 лет. Группа китайских учёных из Шанхайского университета в своей новой работе показала, что ряд алгоритмов шифрования, лежащих в основе AES, могут быть скомпрометированы квантовыми компьютерами.

Используя квантовый компьютер канадской компании D-Wave Systems учёные провели атаку на алгоритмы Present, Gift-64 и Rectangle, которые относятся к так называемому блочному шифрованию Substitution-Permutation network (подстановочно-перестановочная сеть). Код не был взломан окончательно, как говорится в работе, но команда исследователей была близка к этому как никто и никогда ранее. Сеть SP является частью AES-шифрования, с помощью которого банковский сектор, госструктуры и военные всего мира хранят свои секреты. Даже призрачная угроза в данном случае должна рассматриваться, как реальная.

«Это первый случай, когда настоящий квантовый компьютер представляет реальную и существенную угрозу для множества полномасштабных структурированных алгоритмов SPN, используемых сегодня», — говорится в рецензируемой статье.

Сам квантовый компьютер D-Wave Systems с трудом можно назвать квантовым. Он использует принцип квантового отжига — работает на поиске энергетических минимумов, что в физике соответствует стремлению атомов к наименьшему энергетическому состоянию. Всё, что осталось после обработки — «прогорания» — данных и есть искомый результат. Учёным нужно было лишь создать математический аппарат для обработки данных в нужном для них направлении. Такой аппарат с привлечением ИИ был создан, но он не универсальный и это затрудняет практическое использование квантовых платформ сегодня, в том числе, для успешного взлома AES-ключей.

Группа учёных под руководством Google сообщила о прорыве в области квантовых вычислений. Они снова продемонстрировали квантовое превосходство — способность квантового компьютера выполнять вычисления, на которые не способен классический, — но на этот раз сосредоточились на точности вычислений. Также учёные показали, что существуют фазовые переходы в вычислительных процессах, что открывает путь к дальнейшему развитию квантовых технологий.

Источник изображений: Google, Nature

Ещё в 2019 году Google заявляла о достижении квантового превосходства, вызвав бурные споры в научном сообществе. Тогда IBM подвергла сомнению этот результат, утверждая, что классические алгоритмы могут быть оптимизированы для решения аналогичных задач. В новой работе, опубликованной в журнале Nature, учёные описали эксперимент с использованием метода случайной выборки цепей (Random Circuit Sampling, RCS), в ходе которого 67-кубитная система выполнила 32 цикла вычислений. Акцент сделан не на квантовом превосходстве, а на том, что даже при наличии шумов — основного ограничения для квантовых процессоров и главной причины ошибок вычислений — можно добиться вычислительных успехов, которые превосходят возможности классических систем. Это доказывает, что квантовые вычисления приближаются к фазе практического применения.

Термин «квантовое превосходство» вызывает определённые споры в научном сообществе. Некоторые исследователи предпочитают использовать термины «квантовая полезность» (Quantum Utility) или «квантовое преимущество» (Quantum Advantage). Последний термин подразумевает не только теоретическое превосходство квантовых устройств, но и их практическую пользу. В отличие от квантового превосходства, которое не связано с реальной полезностью для задач, квантовое преимущество предполагает выполнение задач быстрее и эффективнее, чем на классических компьютерах.

Квантовые процессоры, несмотря на их потенциал, остаются чрезвычайно чувствительными к внешним шумам, таким как температурные колебания, магнитные поля или даже космическая радиация. Эти помехи могут существенно снижать точность вычислений. В исследовании Google учёные изучили влияние шума на работу квантовых устройств и провели эксперимент, который позволил исследовать два ключевых фазовых перехода: динамический переход, зависящий от числа циклов, и квантовый фазовый переход, влияющий на уровень ошибок. Результаты показали, что даже в условиях шума квантовые системы эпохи NISQ могут достичь вычислительной сложности, недоступной для классических систем.

Фазовые переходы в случайной выборке цепей (RCS). График иллюстрирует два фазовых перехода. Первый — от сосредоточенного распределения битовых строк на малом числе циклов к широкому или антиконцентрированному распределению. Второй — переход в условиях шума, при котором высокая ошибка на цикл приводит к переходу от системы с полной корреляцией к представлению в виде нескольких несвязанных подсистем

Метод случайной выборки цепей (RCS), использованный в эксперименте, ранее подвергался критике за свою простоту и кажущуюся бесполезность. Однако Google подчёркивает, что RCS является ключевым методом для перехода к задачам, которые невозможно решить на классических компьютерах. Этот метод оптимизирует квантовые корреляции с использованием операций типа iSWAP, что предотвращает упрощение классических эмуляций. Благодаря этому подходу Google смогла чётко обозначить границы возможностей квантовых систем, стимулируя конкуренцию между квантовыми и классическими вычислительными платформами.

В исследовании также рассматриваются перспективы практического использования квантовых процессоров. Одним из первых примеров может стать сертифицированное генерирование по-настоящему случайных чисел, требующее высокой вычислительной сложности и устойчивости к шумам. Серджио Бойксо (Sergio Boixo), руководитель квантовых исследований Google, в своём интервью для Nature отметил: «Если квантовые устройства не смогут продемонстрировать преимущество с помощью RCS, самого простого из примеров использования, то вряд ли они смогут это сделать в других задачах».

Дорожная карта развития квантовых вычислений Google

Работа Google представляет собой значительный вклад в развитие квантовых технологий. Хотя практическое применение квантовых устройств остаётся сложной задачей, такие направления, как сертифицированное генерирование случайных чисел, могут стать первым шагом к их коммерческому использованию. Несмотря на сложности, связанные с шумами, эксперименты Google показывают, что переход от теоретических исследований к практическому применению квантовых устройств становится всё более реальным.

50-кубитный квантовый ионный компьютер разработан научной группой Российского квантового центра и Физического института имени Лебедева РАН (ФИАН). На данный момент он является самым мощным квантовым компьютером в России. Доступ к нему осуществляется через облачную платформу. Разработка велась в рамках реализации дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления», координатором которой является госкорпорация «Росатом».

Источник изображений: atomic-energy.ru

Представленный квантовый компьютер базируется на уникальной кудитной технологии, которую российские учёные стали использовать третьими в мире, после Австрии и США. Впервые российский 16-кубитный компьютер был представлен в июле 2023 года на первом Форуме будущих технологий (ФБТ). На втором ФБТ в феврале 2023 года была продемонстрирована 20-кубитная машина. Менее чем за год после этого удалось увеличить количество кубитов до 50.

«За год мы полностью переделали ультрастабильный лазер и существенно модернизировали и систему адресации и считывания, поработали над стабильностью всех подсистем, автоматизировали многие калибровки. За счёт этого получилось в короткий срок поднять мощность нашего квантового компьютера и нарастить число кубит. Дальше мы планируем работать и над увеличением числа кубит, и над достоверностью двухкубитных операций. Всё это нужно для запуска более сложных квантовых алгоритмов. Потенциал для модернизации у нашей машины есть», — прокомментировал научный руководитель проекта Илья Семериков.

Эксперты полагают, что квантовые вычисления в первую очередь будут востребованы в фармацевтике для моделирования сложных соединений при создании новых лекарств. Квантовые вычисления помогут при прогнозировании эпидемий. Врачи смогут в кратчайшие сроки разработать персональные рекомендации для лечения с учётом конкретных симптомов и особенностей организма.

Квантовые вычисления обеспечат принципиально новые возможности при моделировании химических процессов, что безусловно будет востребовано в промышленном секторе. В логистических операциях использование квантовых компьютеров для составления оптимальных маршрутов и расписаний движения транспорта приведёт к сокращению задержек, удешевит и ускорит доставку грузов.

Аналитики уверены, что квантовые технологии радикально повысят возможности ИИ в области машинного обучения, распознавания и анализа, обработки больших данных при меньших энергозатратах. Постквантовое шифрование должно обеспечить необходимый уровень защиты персональных и конфиденциальных данных. В финансовом секторе квантовые вычисления помогут минимизировать риски и точнее оценить кредитоспособность клиента.

«Ионная платформа является в мире одной из главных по значимости в квантовых вычислениях. В ФИАНе полностью освоена технология создания квантового компьютера на ионах. Наша исследовательская группа смогла обеспечить высокие темпы развития квантового вычислителя до уровня в 50 кубитов, который позволяет проектировать его будущее применение в прикладных задачах экономики и сферы безопасности. Ожидается, что к 2030 году квантовые вычисления дополнят классические вычисления в решении большого ряда специфических задач, в том числе, позволят развивать квантовую химию и обеспечивать квантовое шифрование» — заявил Директор ФИАН Николай Колачевский.

«50 кубитов - это колоссальное достижение, особенно, учитывая, что 4 года назад лучшим результатом в России было 2 кубита, а ионное направление построено с нуля. Однако для нас это лишь первый шаг на пути к промышленному использованию квантовых вычислений. […] Мы верим, что уже через несколько лет отдельные отрасли смогут извлечь пользу от использования того самого квантового превосходства, и сделаем все, чтобы максимально упростить эту задачу», — считает сооснователь Российского квантового центра Руслан Юнусов. Ранее он озвучивал планы создания 100-кубитного квантового компьютера к 2030 году.

Россия наряду с США и Китаем сегодня входит в число стран, создавших квантовые компьютеры на всех четырёх приоритетных для квантовых вычислителей платформах: сверхпроводниках, ионах, нейтральных атомах и фотонах. И только шесть стран построили квантовые компьютеры с 50 кубитами и более: Китай, США, Канада, Россия, Япония и Франция.

Учёные из Университета Торонто обнаружили очередное свидетельство контринтуитивного восприятия квантового мира. В серии экспериментов было доказано, что в определённых условиях атомы и фотоны могут вести себя так, как будто время идёт вспять. Работа учёных пока не прошла рецензирование и с сентября находится на сайте arxiv.org.

Источник изображения: www.techspot.com

В ходе опытов исследователи пропускали свет (фотоны) через облако охлаждённых почти до абсолютного нуля атомов. Через такую среду свет проходит с некоторой задержкой, называемой групповой. Это связано с тем, что некоторые фотоны поглощаются атомами и возбуждают их. Это происходит вследствие поглощения энергии фотонов электронами атомов и их переходом на более высокий уровень. Затем электроны испускают фотоны и возвращаются на прежний энергетический уровень, а атомы выходят из возбуждённого состояния. Свет выходит как ни в чём не бывало, но спустя какое-то детектируемое время.

Интересное начинается, когда частота фотонов приближается к резонансной частоте атомов. В таких ситуациях групповая задержка становится отрицательной. В эксперименте учёные определяли это по фазовому сдвигу между опорным лучом и зондирующим — это так называемый эффект Керра. Согласно проделанным наблюдениям и расчётам, отрицательная групповая задержка света — это не ошибка измерений, а данность. Атомы вещества как бы возбуждались заранее ещё до прохождения фотонов, что, судя по всему, можно объяснить их суперпозицией в квантовом мире. Как это может происходить в нашем мире, объяснил Шрёдингер на примере кошки.

«Отрицательная временная задержка может показаться парадоксальной, но это означает, что если бы вы построили "квантовые" часы для измерения того, сколько времени атомы проводят в возбужденном состоянии, стрелка часов при определенных обстоятельствах двигалась бы назад, а не вперёд», — объяснил автор исследования Джозайя Синклер (Josiah Sinclair) из Университета Торонто.

По крайней мере, для групповой задержки прохождения света через вещество «отрицательное время» имеет ощутимое физическое значение, что необходимо будет учитывать в будущих исследованиях. Для мечтающих попасть в прошлое или будущее это не поможет осуществить их заветное желание, но лишний раз даёт убедиться, что в квантовом мире происходят настоящие чудеса.

Группа учёных из США смогла соединить квантово-механическую теорию и цифровую запись, проложив путь к потенциально сверхплотной оптической памяти. Запись осуществляется излучателями атомарного размера, встроенными в саму память, а ячейками для хранения информации выступают множественные дефекты в атомарной структуре памяти. Всё это замешано на управляемом изменении квантовых состояний дефектов, явив собой смесь классической и квантовой физики.

Источник изображения: Giulia Galli

Исследование и разработку моделей изучаемых явлений осуществили физики из Аргоннской национальной лаборатории министерства энергетики США и Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета. Сначала они провели моделирование и предсказали возможные результаты и лишь потом провели эксперименты. Проделанная учёными работа во многом новаторская. Ещё никто не изучал вопрос, как поведут себя дефекты в атомарной структуре твёрдых материалов, если по соседству с ними в нанометровой доступности расположатся излучатели энергии (фотонов). Фактически это физика в ближнем поле, которая непросто поддаётся изучению и, прежде всего, из-за возникновения разного рода квантовых эффектов.

«Мы разработали фундаментальные физические основы того, как передача энергии между дефектами может лежать в основе невероятно эффективного оптического метода хранения, — сказала Джулия Галли (Giulia Galli), профессор Чикагского университета и старший научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории. — Это исследование иллюстрирует важность изучения основных принципов и квантовомеханических теорий для освещения новых, зарождающихся технологий».

Если мы будет рассматривать, например, оптические диски, то минимально допустимое пятно для записи будет ограничено дифракционным пределом оптической системы и не сможет быть меньше длины волны записывающего лазера. Учёные предложили насытить материал атомами редкоземельных элементов, которые отличаются тем, что способны переизлучать падающий на них свет в более узком диапазоне и на других длинах волн. Тем самым можно создать материал с мириадами записывающих «лазеров» внутри, каждый из которых был бы размером с атом.

Точно также материал можно насытить ячейками для записи, в роли которых выступали бы дефекты в кристаллической структуре. При достаточном количестве атомов редкоземельных элементов и дефектов большинство из них находились бы в нанометровой доступности друг от друга. Суть открытия в том, что редкоземельные излучатели (точнее — переизлучатели) необратимо или на очень длительное время меняют квантовые состояния находящихся по соседству дефектов (переводят их из синглетного в триплетное состояние). А это память, работающая в оптическом диапазоне. И очень плотная память — на уровне атомарной структуры.

Учёные предупреждают, что они пока слабо представляют многие механизмы работы такой памяти, но не сомневаются, что это интересный и перспективный путь для удовлетворения нужд человечества в сохранении цифровых архивов.