Выпущенная в 1993 году игра Doom имеет по сегодняшним меркам настолько скромные системные требования, что её запускают на самом неожиданном оборудовании: это может быть встроенный в клавишу Backspace крошечный экран, ёлочная игрушка, воксельный дисплей, другая игра, система искусственного интеллекта, умная газонокосилка или стандартная программа Windows. Но не квантовый компьютер.

Источник изображения: github.com/Lumorti/Quandoom

Разработчик Люк Мортимер (Luke Mortimer) из Барселоны опубликовал на GitHub проект Quandoom — он воссоздал первый уровень культового шутера для запуска на квантовом компьютере и пришёл к выводу, что пока не существует достаточно мощной для его запуска машины. Но можно создать её «эффективную симуляцию» на ноутбуке. Для запуска Quandoom требуются 70 000 кубитов и 80 млн логических вентилей. Самый мощный на текущий момент квантовый компьютер построила компания Atom Computing, и у него 1225 кубитов.

И это даже не полная версия игры. Адаптация одного только первого уровня в Quandoom представлена базовой каркасной графикой, отсутствуют музыка и звук, а враги не могут перемещаться между комнатами. Но и этого пока слишком много для существующих квантовых компьютеров. «Сейчас я всё ещё дорабатываю код движка, но в основе у меня 8000 строк функций C++, позволяющих выполнять ряд обратимых двоичных и арифметических операций на квантовых регистрах, например, „flipIfLessThanOrEqualTo“, обращает все кубиты в регистре, если значение другого регистра меньше заданного. Всё делается целыми числами. Используя такие функции, я написал небольшой 3D-движок и всю игровую логику», — говорится в описании Quandoom.

Топ-кварки или t-кварки, были обнаружены всего 30 лет назад. Они чрезвычайно массивны по сравнению с остальными элементарными частицами Стандартной модели. Это делает их уникальными и загадочными, открывая перспективы для новых открытий в области физики — неизвестных взаимодействий или частиц. Раскрывая секреты топ-кварков, учёные впервые смогли квантово запутать их пары, что произошло на Большом адронном коллайдере без экстремального охлаждения среды.

Художественное представление пары запутанных топ-кварков. Источник изображения: CERN

До сих пор исследователи создавали квантовую запутанность лёгких частиц в условиях низких энергий. Обычно это были фотоны. Квантовая запутанность означает, что мы можем узнать некоторые квантовые свойства одной частицы (например, фотона) по детектируемым свойствам другой частицы из запутанной пары, даже если первая находится на краю Вселенной. При этом никакой передачи информации или энергии не происходит. Нам просто становятся известны определённые квантовые характеристики фотона из запутанной пары.

Топ-кварки — это частицы совершенно другого масштаба по массе и энергии. Они были открыты последними из шести типов кварков. Масса топ-кварка в 184 раза превышает массу протона и, например, значительно больше массы атома вольфрама. Запутать пару топ-кварков — значит выйти на энергетический уровень выше 10 ТэВ (тераэлектронвольт). В случае фотонов или других лёгких частиц (фотоны не имеют массы) для предотвращения разрушения квантовых состояний и запутанности экспериментальные системы охлаждаются до абсолютного нуля, чтобы минимизировать все внутренние колебания. Это известная проблема квантовых вычислений, которые страдают от короткого времени когерентности.

Для запутывания пар топ-кварков этого не потребовалось. Авторы исследования из коллаборации ATLAS создали необходимые для этого условия в процессе эксперимента на коллайдере БАК. Статья о работе вышла в журнале Nature. Похожую работу независимо также проделали учёные из коллаборации CMS, но их работа пока есть лишь на сайте препринтов arXiv.orgc.

Топ-кварки, благодаря своим свойствам, оказались удобным объектом для изучения запутанности с использованием относительно простых средств, по сравнению с другими случаями, и при этом на совершенно новом уровне энергий. Хотя стоит признать, что Большой адронный коллайдер трудно назвать «подручным инструментом», это вряд ли позволит в ближайшее время перевести эксперименты с топ-кварками в практическую плоскость квантовых вычислений или криптографии. Тем не менее, изучение квантовой запутанности на столь высокой энергетической ступени — это не просто шаг вперёд, это прорыв!

Китайский производитель бытовой техники TCL оказался в центре внимания: сторонние эксперты провели тестирование трёх его телевизоров, которые позиционируются как модели на квантовых точках, и признаков наличия квантовых точек на них не было обнаружено. Производитель эти результаты отверг.

Источник изображений: tcl.com

Квантовые точки — полупроводниковые компоненты размером в несколько нанометров, которые производят свет разных цветов при попадании на них света определённой частоты. Излучаемый квантовой точкой цвет зависит от размера самой квантовой точки, поскольку он влияет на длину волны. Это решение помогает телевизорам и мониторам премиум-класса охватывать более широкий цветовой диапазон. Квантовые точки стали важным аргументом в пользу моделей QLED, QD Mini LED и QD-OLED, и они имеют более высокую цену. Производитель, который продаёт стандартные модели, заявляя о наличии квантовых точек, рискует и репутацией, и собственным благополучием — такие действия могут привести к юридическим последствиям.

Южнокорейское технологическое издание ETNews опубликовало отчёт об исследовании, согласно которому три телевизора TCL, которые позиционируются как модели на квантовых точках, на самом деле этих квантовых точек лишены. Заказчиком выступила сеульская компания Hansol Chemical; тесты проводили компании SGS и Intertek, штаб-квартиры которых находятся соответственно в Женеве и Лондоне. Эксперты исследовали модель TCL C755, заявленную как телевизор Mini LED на квантовых точках; TCL C655, позиционируемую как модель QLED; а также TCL C655 Pro — тоже QLED. По результатам исследований в телевизорах не было обнаружено индия и кадмия — важных материалов, без которых невозможно реализовать квантовые точки. Кадмий должен был обнаружиться, если бы он присутствовал в минимальной концентрации 0,5 мг на 1 кг; индий пытались обнаружить в концентрациях 2 и 5 мг/кг в разных лабораториях.

В ответ на публикацию материала представитель TCL заявил, что компания «производит телевизоры с плёнками на квантовых точках, поставляемыми тремя компаниями», а «количество квантовых точек <..> на плёнке может варьироваться в зависимости от поставщика, но кадмий, несомненно, присутствует». Далее TCL опубликовала результаты другого исследования, проведённого по заказу Guangdong Region Advanced Materials — одного из поставщиков плёнок с квантовыми точками. Примечательно, что это исследование снова провела SGS, и на этот раз она обнаружила присутствие кадмия в плёнках в концентрации 4 мг/кг. TCL также заявила, что «подтвердила флуоресцентные характеристики квантовых точек», и представила спектрограмму, которая якобы свидетельствует о наличии квантовых точек в плёнках телевизоров.

Одна из очевидных причин разницы в результатах — разные методы тестирования. В исследовании, где был обнаружен кадмий, изучались плёнки на квантовых точках, которые поставляются TCL. В исследовании по заказу Hansol рассматривались плёнки на квантовых точках на готовых телевизорах китайского производителя. Это может свидетельствовать, что у TCL недостаточно хорошо организован контроль качества, а концентрация квантовых точек может варьироваться от партии к партии или даже в пределах одного телевизора. Впрочем, это не означает, что у TCL есть намерение обмануть потребителей. По мнению опрошенного изданием Ars Technica эксперта, наиболее адекватным методом исследования были бы не замеры концентрации квантовых точек, а тестирование показателей изображения, которые выдаёт телевизор — цветовой гаммы и яркости.

Следует также обратить внимание, что TCL говорит о применении кадмия в телевизорах QLED и Quantum Mini LED, но не упоминает об индии. Присутствие обоих элементов в телевизорах на квантовых точках не обязательно. Некоторые экраны на квантовых точках имеют в основе лишь собственно квантовые точки, в других же используется смесь индиевых и/или кадмиевых квантовых точек и люминофоров — это материалы совершенно иного класса, но их целью является такое же преобразование синего цвета светодиодов в зелёный и красный. В последнем случае содержание квантовых точек может быть в десять раз ниже, и в минимально допустимый по нормам Hansol показатель в 0,5 мг/кг оно действительно не попадёт. Этот вариант дешевле в производстве, а цветовая гамма, чистота цвета и яркость будут уступать дисплеям на «чистых» квантовых точках. И вполне вероятно, что TCL использует его в QLED-моделях начального уровня.

Стоит также отметить, что в Евросоюзе действует директива RoHS (Restriction of Hazardous Substances Directive), ограничивающая содержание вредных веществ в продукции на территории региона. Она, в частности, не допускает превышения массовой концентрации кадмия в 0,01 %, но есть исключение, позволяющее использовать его в количестве до 0,2 г на м² в дисплеях. При этом в большинстве экранов на квантовых точках кадмий либо используется в малых количествах, либо не используется вообще. Так, Samsung заявляет, что применяет только квантовые точки без кадмия. При этом заказавшая исследование корейская химическая компания Hansol не поставляет свою продукцию TCL, зато продаёт её Samsung. Samsung и LG пока остаются крупнейшими в мире производителями телевизоров, но этот статус все чаще пытаются оспорить китайские компании. Поэтому Hansol можно рассматривать как предвзятую сторону.

Наконец, трудно представить, чтобы такая крупная компания, как TCL, рискнула своей репутацией и начала просто обманывать покупателей, считают эксперты. Изготовление «фальшивых» плёнок на квантовых точках без квантовых точек стоило бы почти столько же, сколько производство настоящих, но без преимуществ в качестве изображения. Возможно, TCL использует квантовые точки в небольших количествах совместно с материалами на основе фосфора — качество картинки может действительно оказаться хуже, чем у телевизоров с экранами на основе других решений, но это будет значить, что квантовые точки в продукции TCL всё-таки есть. Прояснить ситуацию может серия дальнейших и более подробных исследований продукции компании.

Возможности квантовых компьютеров приумножатся, когда их начнут соединять в сети. И будет отлично, если эти сети будут построены на уже имеющихся волоконно-оптических каналах. Так будет дешевле, а в придачу это повысит защищённость обычных каналов передачи информации. Другое дело, что «квантовые» фотоны и обычные плохо совмещаются в одном канале, ведь квантовые состояния чувствительны к помехам и легко разрушаются, но в Германии научились справляться с этим.

Источник изображения: Leibniz University Hannover

Эксперимент поставили учёные из Ганноверского университета им. Лейбница (Leibniz University Hannover). Он должен был показать, что квантовая информация и классическая цифровая может быть передана по одному и тому же оптическому волокну. Потенциально это будет означать абсолютно защищённый от взлома обычный интернет, а также объединение в будущем нескольких квантовых компьютеров в кластеры для решения невообразимых сегодня по сложности задач.

«Чтобы сделать квантовый интернет реальностью, нам нужно передавать запутанные фотоны по оптоволоконным сетям, — поясняет физик Майкл Кус (Michael Kues) из Ганноверского университета им. Лейбница. — Мы также хотим продолжать использовать оптические волокна для обычной передачи данных. Наше исследование — важный шаг к объединению обычного Интернета с квантовым интернетом».

Источник изображения: Science Advances 2024

Для совмещения квантового и обычного оптического сигнала в одном канале учёные воспользовались самодельным модулятором с линейным изменением фазы или задержки (т.н. серродином). Серродин производит сдвиг фаз оптического сигнала в оптоволокне (в одном частотном канале), чтобы поместить туда одновременно квантовые и классические данные. Как показал опыт, это не разрушает запутанность фотонов. На выходе таким же образом потоки разделяются на квантовый и обычный для обработки каждого на своём приёмнике.

Подчеркнём, всё происходит в одном частотном канале, а не просто в волокне, где частотных каналов могут быть десятки и даже сотни. Тем самым обычная пропускная способность снизится незначительно, открывая путь к более быстрому появлению квантового интернета.

В ряде случаев системы навигации GPS использовать нельзя или невозможно. Они могут быть скомпрометированы или заблокированы по разным причинам, а также остаются фактором риска в работе автопилотов. Параллельная система навигации без GPS могла бы решить проблему, но пока такие системы размером с комнату. Учёные из США обещают преодолеть эти ограничения и создать доступный миниатюрный «квантовый» компас уже в ближайшее время.

Источник изображения: www.techspot.com

Квантовая навигация строится на так называемой атомной интерферометрии. Частицы ведут себя также как волны, а волны одной и той же частицы могут накладываться друг на друга и отличаться по фазе. Сдвиг по фазе и эффекты интерференции волн измеряются лазером. На атомы действуют силы, например, гравитация, или они ощущают ускорение или торможение, угловой момент и прочее, что измеряется с атомарной точностью — те самые сдвиги фаз и интерференция. Перенос этих данных в наш мир позволяет соотнести измерения со всеми нюансами движения навигационного прибора на транспортном средстве. Это обеспечивает настолько высокую точность навигации, что она может превосходить возможности GPS.

Для точной навигации без GPS необходимы шесть атомных интерферометров, что определяет конечные — немаленькие — размеры платформы. Учёные их Сандийских национальных лабораторий (Sandia National Labs) смогли удивить, разработав сверхкомпактные оптические чипы для привода в действие квантовых систем навигации. Громадные лазерные установки они заменили крошечными фотонными интегральными схемами.

«Используя принципы квантовой механики, эти усовершенствованные датчики обеспечивают непревзойденную точность измерения ускорения и угловой скорости, обеспечивая точную навигацию даже в районах, где GPS недоступен», — утверждают разработчики.

Ключевым элементом для датчиков нового поколения стал модулятор, способный управлять и комбинировать лучи с несколькими длинами волн, получаемыми из одного источника. Тем самым отпадает необходимость в объединении отдельных лазеров (читай — умножать габариты), ведь всю работу может выполнить один лазер, используя для этого схему модулятора.

Помимо намного большей компактности, такие чипы также более устойчивы к вибрациям и ударам. Подобная надёжность позволит использовать квантовые датчики в самых сложных условиях эксплуатации, которые могут вывести из строя современные модели. Фактор стоимости также на повестке дня. Один современный лазерный модулятор легко преодолевает барьер в $10 тыс. Перевод производства на кремниевые пластины с сотнями и более чипов на 200- и 300-мм подложках — это залог снижения стоимости решений и повышение степени их доступности.

Предложенные «квантовые» компасы способны выйти далеко за пределы сферы навигации. Квантовые детекторы масс, к примеру, легко справятся с картографированием скрытых под землёй коммуникаций и сооружений. Они могут оказаться востребованы для оптической связи и квантовых вычислений, в дальномерах и прочем.

Учёные NASA впервые дистанционно провели эксперимент по измерению квантовых состояний ультрахолодных атомов. Благодаря невесомости установленный на борту МКС квантовый прибор получил невообразимую чувствительность, что позволяет измерять, например, перемещение масс воды и льда в земных океанах. Первым измерением установки стали неуловимые иным способом вибрации космической станции. Прибор засёк, как она дрожит в своём движении по орбите.

Cold Atom Laboratory. Источник изображения: NASA

Установка NASA Cold Atom Laboratory имеет размеры с небольшой холодильник. В ней атомы охлаждаются до температуры немного выше абсолютного нуля. На орбиту устройство доставлено в 2018 году. Это атомный интерферометр — новое направление в измерении множества физических величин и явлений с помощью оценки квантовых состояний ультрахолодных атомов.

Как известно, элементарные частицы ведут себя также подобно волнам. Это означает, что атом может двигаться как минимум по двум физическим траекториям. На каждую из них будет воздействовать гравитация или оказываться другие влияния (силы). Эти влияния можно измерить, просто наблюдая интерференцию волн — их рекомбинацию и взаимодействие. Чувствительность подобных датчиков поражает. Они могут улавливать гравитационные колебания планет и их спутников, и на основе полученных данных давать информацию о плотности и составе пород небесных тел, а также могут открывать ещё не обнаруженные объекты.

Сильное охлаждение позволяет как бы обезличить отдельные атомы, переводя их в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна. Тем самым большие скопления атомов приобретают одинаковые квантовые состояния и квантовые явления перекочёвывают из микромира в макромир. Проще говоря, у нас появляется возможность измерять квантовые состояния атомов, не опускаясь до их уровня, что намного проще и доступнее.

Эксперименты NASA с датчиками на ультрахолодных атомах пойдут намного дальше измерений вибраций космической станции (которые, как следует понимать, станут помехой для измерений). Первый квантовый датчик в невесомости поможет в планетарных исследованиях, в изучении климата Земли и даже в поиске источников тёмной материи и тёмной энергии, а также в ином подходе для доказательства Общей теории относительности Эйнштейна. Пусть теперь дрожит не только МКС, но и тайны Вселенной — мы пришли за ними.

На сегодняшний день практически все чувствительные данные в мире защищены схемой ассиметричного шифрования RSA (Rivest-Shamir-Adleman), которую практически невозможно взломать с помощью современных компьютеров. Но появление квантовых компьютеров может кардинально изменить ситуацию. Поэтому Национальный институт стандартов и технологий США (National Institute of Standards and Technology, NIST) представил три схемы шифрования постквантовой криптографии.

Источник изображений: unsplash.com

Новые стандарты должны стать важным элементом криптографической защиты данных. Предыдущие стандарты криптографии NIST, разработанные в 1970-х годах, используются практически во всех устройствах, включая интернет-маршрутизаторы, телефоны и ноутбуки. Руководитель группы криптографии NIST Лили Чен (Lily Chen) уверена в необходимости массовой миграции с RSA на новые методы шифрования: «Сегодня криптография с открытым ключом используется везде и во всех устройствах, наша задача — заменить протокол в каждом устройстве, что нелегко».

Хотя большинство экспертов считают, что крупномасштабные квантовые компьютеры не будут построены как минимум ещё десять лет, существуют две веские причины для беспокойства уже сегодня:

• Во-первых, многие устройства, использующие метод RSA, такие как автомобили или компоненты «умного дома», будут использоваться ещё как минимум десятилетие. Поэтому их необходимо оснастить квантово-безопасной криптографией, прежде чем они будут выпущены в эксплуатацию.
• Во-вторых, злоумышленник может сохранить зашифрованные данные сегодня и расшифровать их при появлении достаточно производительных квантовых компьютеров — концепция «собирай сейчас, расшифруй позже».

Поэтому эксперты по безопасности в различных отраслях призывают серьёзно относиться к угрозе, исходящей от квантовых компьютеров. Новые схемы шифрования основаны на понимании сильных и слабых сторон квантовых вычислений, так как квантовые компьютеры превосходят классические лишь в достаточно узком спектре задач. К квантово-устойчивым криптографическим методам относятся:

• Решётчатая криптография основана на геометрической задаче о кратчайшем векторе, которая требует найти точку, ближайшую к началу координат, что невероятно сложно сделать при большом количестве измерений.
• Изогональная криптография использует для шифрования эллиптические кривые, что обещает высокую устойчивость к дешифровке.
• Криптография на основе кода с возможностью исправления ошибок опирается на сложность восстановления структуры кода из сообщений, содержащих случайные ошибки.
• Криптография с открытым ключом на основе хеш-дерева позиционируется как развитие идей RSA.

На сегодняшний день наиболее перспективным методом NIST считает решётчатую криптографию. Институт ещё в 2016 году объявил публичный конкурс на лучший алгоритм постквантового шифрования. Было получено 82 заявки от команд разработчиков из 25 стран. С тех пор конкурс прошёл через четыре отборочных тура и в 2022 году завершился, назвав четыре победивших алгоритма. Были учтены мнения криптографического сообщества, промышленных и учёных кругов, а также заинтересованных государственных служб.

Четыре победивших алгоритма имели звучные названия: CRYSTALS-Kyber, CRYSTALS-Dilithium, Sphincs+ и FALCON, но после стандартизации получили типовое обозначение «Федеральный стандарт обработки информации» (Federal Information Processing Standard, FIPS) с номерами 203–206. Сегодня NIST объявил о стандартизации FIPS 203, 204 и 205. Ожидается, что FIPS 206 будет стандартизирован ближе к концу года. FIPS 203, 204 и 206 основаны на решётчатой криптографии, в то время как FIPS 205 — на хеш-функциях.

Стандарты включают компьютерный код алгоритмов шифрования, инструкции по его реализации и сценарии предполагаемого использования. Для каждого протокола существует три уровня безопасности, разработанные для обеспечения будущих стандартов в случае обнаружения в алгоритмах слабых мест или уязвимостей.

Ранее в этом году внимание криптографического сообщества привлекла публикация Или Чена (Yilei Chen) из Университета Цинхуа, которая утверждала, что решётчатая криптография на самом деле плохо защищена от квантовых атак. Но при дальнейшем рассмотрении силами сообщества в аргументации Чена были найдены ошибки, и авторитет решётчатой криптографии был восстановлен.

Этот инцидент подчеркнул базовую проблему, лежащую в основе всех криптографических схем: нет никаких доказательств того, что какие-либо из математических задач, на которых основаны схемы, на самом деле «сложные». Единственным реальным доказательством стойкости шифрования, даже для стандартных алгоритмов RSA, являются многочисленные неудачные попытки взлома в течение длительного времени.

Поскольку постквантовые стандарты криптографии пока очень «молоды», их стойкость постоянно подвергается сомнениям и попыткам взлома, причём каждая неудачная попытка только повышают доверие к ним. «Люди изо всех сил пытались взломать этот алгоритм. Многие люди пытаются, они очень стараются, и это на самом деле придаёт нам уверенности», — заявила по этому поводу Лили Чен.

Безусловно, представленные NIST новые стандарты постквантового шифрования актуальны, но работа по переводу на них всех устройств только началась. Потребуется длительное время и значительные средства, чтобы полностью защитить данные от дешифровки при помощи будущих квантовых компьютеров. Для примера, компания LGT Financial Services потратила 18 месяцев и около полумиллиона долларов лишь на частичное внедрение новых алгоритмов, а затраты на полный переход оценить затруднилась.

Международная группа учёных сообщила о создании основ для первой в мире квантовой памяти, работающей в рентгеновском диапазоне. В перспективе это позволит разработать более плотную и помехоустойчивую память для квантовых компьютеров, которые сегодня ограничены по времени для проведения квантовых операций. Переход на «рентгеновскую» память увеличит время хранения квантовых состояний, что приблизит практическую ценность квантовых вычислений.

Иллюстрация гребенки ядерных частот, отображающей одиночные фотоны, визуализированные в логарифмической шкале. Источник изображения: DESY/Sven Velten

Современные модели квантовой памяти, если говорить о фотонах, предполагают взаимодействие света и атомов. Некоторое время назад группа профессора Техасского университета A&M Ольги Кочаровской предложила перейти на новый способ хранения и высвобождения импульсов рентгеновского излучения на уровне одного фотона, когда фотон воздействует не на атом, а непосредственно на его ядро.

В новом исследовании группа учёных Техасского университета A&M (Texas A&M University) и их коллеги из Германии и Франции воспользовались теоретическими наработками группы Кочаровской и провели эксперимент, доказавший осуществимость идеи, о чём они сообщили в статье в журнале Science Advances.

Удержать неподвижно свет (фотон) — произвести своего рода запись информации — это трудноосуществимая задача. Сделать это можно с помощью таких квазистационарных состояний, как спиновая или поляризационная волна.

«Квантовая память является незаменимым элементом квантовой сети, обеспечивающим хранение и извлечение квантовой информации, — пояснила Кочаровская. — Фотоны являются быстрыми и надежными носителями квантовой информации, но их трудно удерживать в неподвижном состоянии на случай, если эта информация понадобится позже. Удобный способ добиться этого — запечатлеть эту информацию в квазистационарной среде в форме поляризационной или спиновой волны с большим временем когерентности и высвободить её обратно посредством повторного излучения исходных фотонов».

Идея была проверена с использованием синхротронных источников PETRA III в Немецком электронном синхротроне (DESY) в Гамбурге и Европейском центре синхротронного излучения во Франции, что привело к первой реализации квантовой памяти в диапазоне жёсткого рентгеновского излучения.

Эксперимент строился на создании частотной гребёнки в спектре поглощения. Рентгеновские импульсы со спектром поглощения, соответствующим этой гребёнке, как бы запоминались ядерными мишенями и могли быть переизлучены с определённой задержкой — как бы прочитаны. Перенос этого механизма, как сказано выше, произошёл в рентгеновский диапазон для воздействия на ядра атомов. Более мелкие ядра являются менее чувствительными к воздействию внешних магнитных полей и других возмущений, а квантовые состояния, как известно, всего этого боятся и разрушаются.

Следующие шаги, запланированные командой, включают в себя испускание сохранённых волновых пакетов фотонов по требованию, что может привести к реализации запутанности между различными жёсткими рентгеновскими фотонами — основным ресурсом для квантовой обработки информации. Исследование команды также подчёркивает потенциал распространения оптических квантовых технологий на коротковолновый диапазон, который по своей сути менее «шумный», поскольку помехи в основном «растекаются» по высокочастотным колебаниям.

Учёные давно подозревают, что с высшей умственной деятельностью что-то нечисто, что она может опираться не только на обычную биохимию, но также на квантовые явления. Интуиция, спонтанность принятия решений и другие малопонятные умственные процессы оставляют простор для спекуляций на тему квантовой природы человеческого сознания. Новая работа китайских учёных показывает, что нервная ткань человеческого мозга совместима с квантовыми явлениями.

Источник изображения: Pixabay

Исследователи из Шанхайского университета в журнале Physical Review E опубликовали статью, в которой изучили возможности протекания квантовых химических реакций в нервных клетках человеческого мозга. Подчеркнём, учёные не открыли и не зафиксировали квантовых процессов в мозге. Они лишь определили физическую осуществимость квантовых явлений в живой нервной ткани.

Как поясняют учёные: «Сознание в мозге зависит от синхронизированной активности миллионов нейронов, но механизм, ответственный за организацию такой синхронизации, остаётся неуловимым. В этом исследовании мы используем квантовую электродинамику резонатора для изучения генерации запутанных двойных фотонов посредством каскадного излучения в спектре колебаний С-Н-связей в хвостах липидных молекул».

Углерод-водородные связи, о которых говорят исследователи, находятся в изолирующей оболочке аксонов (в «хвостах» нейронов, передающих нервный импульс другим нейронам). Эта миелиновая оболочка может быть представлена в виде условного полого цилиндра. Цилиндр может служить резонатором, который способен усиливать рождённые в нейронах инфракрасные фотоны. Этим учёные обосновывают возможность перехода от квантового микроуровня (от молекул и атомов) до макроуровня живых клеток и клеточных процессов (биохимии).

Источник изображения: Physical Review E

Импровизированные резонаторы в виде миелиновых оболочек способны не только усиливать, но также запутывать пары фотонов — придавать им одну и туже волновую функцию. Затем плазма и протекающие в мозге биохимические реакции разносят связанные фотоны по всему мозгу, что может создавать механизм глобальной синхронизации мыслительных процессов. Это ещё не открытие этого неуловимого механизма, но вполне объясняющая его работу концепция. Разгадав тайну сознания, человек шагнёт на путь к его бессмертию. Пугающая и бесконечно привлекательная перспектива. Вполне в духе квантовых явлений.

Учёные из Школы молекулярной инженерии им. Прицкера Чикагского университета (PME) предложили опутать США сетью особых каналов связи, ориентированных на передачу квантовых состояний кубитов. Это позволит создать квантовый интернет и реализовать распределённые квантовые вычисления, что умножит мощь и без того перспективных квантовых вычислителей. В этом поможет опыт гравитационно-волновых обсерваторий, ведь кубиты придётся передавать в вакууме.

Источник изображения: University of Chicago

Исследование финансируется военными и властями США. Квантовый интернет — это не только абсолютно безопасная связь, которая не поддаётся незаметному взлому, но также экспоненциальный рост вычислений. Распределённые квантовые вычисления могут на какое-то время решить проблему с масштабированием квантовых платформ. Пока в составе каждого вычислителя физически большие кубиты и их мало, перераспределение вычислительной нагрузки поможет наращивать производительность относительно простым способом.

Учёные уже умеют и даже внедряют в практику обмен квантовыми состояниями на больших расстояниях с помощью кодирования фотонов. Благодаря этому квантовые состояния можно передавать по обычному оптоволокну и с помощью лазера по воздуху и в вакууме, например, через спутники. Однако скорость передачи при этом очень маленькая, как и велики затухания в оптоволокне.

Учёные из Чикагского университета опирались на опыт многолетней работы гравитационно-волновых обсерваторий, датчики которых — это трёхкилометровые тоннели с высоким вакуумом (10^-11 атмосфер). Благодаря зеркалам фотоны в тоннелях пролетают колоссальные расстояния, отзываясь на гравитационные волны. Таким же образом можно передавать на сотни и тысячи километров квантовую информацию, закодированную в состояниях фотонов. А чтобы снизить вероятность их рассеивания, необходимо предусмотреть систему фокусирования на всём протяжении маршрута.

В результате работы исследователи теоретически обосновали возможность охватить США сетью квантового интернета из вакуумных труб диаметром 20 см с фокусирующими линзами через каждые несколько километров. Расчёты показывают, что всё будет работать при среднем уровне вакуума (10^-4 атмосфер). На следующем этапе учёные проведут экономическое обоснование проекта. Но даже сейчас они подчёркивают, что ради скоростной квантовой сети не жалко будет никаких денег.

Швейцарские учёные разработали инновационную двумерную систему охлаждения для квантовых компьютеров, способную достигать температур до 100 милликельвинов, преобразуя тепло в электрическое напряжение. Разработка может стать прорывом в области квантовых вычислений.

Источник изображения: LANES EPFL

Исследовательская группа LANES из Швейцарской федеральной политехнической школы Лозанны (EFPL), возглавляемая Андрашем Кишем (Andras Kis), создала устройство, которое по эффективности соответствует современным технологиям охлаждения, но работает при слабых магнитных полях и сверхнизких температурах, необходимых для квантовых систем. Новая технология позволяет достигать сверхнизких температур путём преобразования тепла в электрическое напряжение, что особенно важно для вычислений, так как квантовые биты (кубиты) чрезвычайно чувствительны к теплу и требуют охлаждения до температур ниже 1 кельвина, пишет ресурс Tom's Hardware.

Источник изображения: LANES EPFL

«В настоящее время в квантовых вычислительных системах нет механизма, предотвращающего нагрев кубитов от работающей электроники», — пояснил аспирант Габриэле Паскуале (Gabriele Pasquale). Однако эта технология построена на основе двумерного материала толщиной всего в несколько атомов, и в сочетании с графеном позволяет достичь высокой производительности. Устройство работает на основе эффекта Нернста — термомагнитного явления, при котором в проводнике генерируется электрическое поле под воздействием магнитного поля и разницы температур.

Важно отметить, что новая система охлаждения может быть легко интегрирована в существующие квантовые компьютеры, так как изготовлена из доступных электронных компонентов. «Данные результаты представляют собой значительный прогресс в нанотехнологиях и открывают перспективы для разработки передовых систем охлаждения, необходимых для квантовых вычислений», — подчеркнул Паскуале.

Несмотря на достижение, исследователи отмечают, что данная технология предназначена исключительно для квантовых вычислений и не может быть использована для охлаждения обычных компьютеров.

Одной из проблем масштабирования квантовых компьютеров остаются слишком большие размеры кубитов — элементов, сохраняющих и отдающих квантовые состояния в процессе вычислений. Уменьшить размер кубита мешают множество факторов, среди которых значительное место занимают методы измерения и управления их квантовыми состояниями с помощью микроволн. Это очень неизбирательный метод. Им невозможно «посветить» на электрон или атом, не затронув соседние.

Синяя — подложка, жёлтые — молекулы пентацена. Слева — игла микроскопа над подложкой. Источник изображения: ETH Zürich

В то же время учёным хорошо известно явление, при котором на электроны можно действовать избирательно. Это спин-поляризованный ток, который возникает при правильном приложении электромагнитного поля к источнику электронов. В электромагнитном поле спины электронов принимают одинаковую ориентацию и могут точечно воздействовать на тот же кубит. Именно на этом принципе работает магниторезистивная память с переносом спина (STT-MRAM), которая уже есть в продаже. Учёные из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) решили выяснить, можно ли этим методом управлять квантовыми состояниями атомов или молекул.

Исследователи создали «идеальную», как они утверждают, модель атомов и электронов в свободном состоянии. Для этого они поместили молекулы пентацена (ароматического углеводорода) на серебряную подложку, а ещё ранее на серебряную подложку был нанесён слой оксида магния. Затем на кончике иглы сканирующего туннельного микроскопа были собраны несколько атомов железа — это соорудило там своеобразный магнит, который ориентировал в одном направлении спины слетающих с иглы электронов и, фактически, создавал спин поляризованный ток.

Как выяснилось в ходе экспериментов, возникающий на туннельном эффекте спин-поляризованный ток мог избирательно воздействовать на отдельные молекулы и помогал считывать характеристики облака их электронов. Кроме того, спин поляризованный ток изменял спин молекулы, доказывая, что этот процесс поддаётся контролю и измерению. С помощью радиочастотного излучения (электромагнитного поля) подобного разрешения получить невозможно, что обещает найти применение при разработке масштабируемых квантовых компьютеров.

Учёные из Технологического университета Сиднея разработали и готовы продавать через компанию Eigensystems крошечные персональные эмуляторы отказоустойчивых 30-кубитовых квантовых компьютеров Quokka («Квокка»). Новинка «демократизирует» квантовые вычисления, создавая основу для появления широкого круга специалистов среди нового поколения учёных, инженеров, программистов, преподавателей и любителей.

Источник изображений: Andy Roberts

Квокка — одно из самых симпатичных сумчатых Австралии — изображён на верхней крышке корпуса эмулятора квантового компьютера, а первые две буквы названия этих животных намекают на кубиты. Платформу разработали два специалиста Центра квантового программного обеспечения и информации (QSI) Технологического университета Сиднея — Саймон Девитт (Simon Devitt) и Крис Ферри (Chris Ferrie). Решение задумано как обширная образовательная экосфера с уроками, проектами и сообществом.

«Традиционное STEM-образование основано на педагогике 100-летней давности в мире, управляемом обработкой информации. Слово "квант" не фигурирует ни в национальной, ни в какой-либо другой государственной учебной программе, — поясняют цель своей разработки учёные. — Квантовая грамотность определит передний край инноваций XXI века, но до сих пор не было ясного пути в сферу квантовых вычислений для студентов, преподавателей и любителей, чтобы исследовать эту область и открывать возможности».

Устройство Quokka представляет собой доступный по цене удобный эмулятор персонального квантового компьютера, который может запускать языки программирования, написанные для квантовых вычислений, и возвращать результаты. Компания Eigensystems начала принимать заявки на устройство, поставки которого стартуют в июле. Quokka эмулирует то, чего пока не существует — отказоустойчивый квантовый компьютер ёмкостью 30 кубит. Но он позволит уже сейчас изучать приложения квантовых вычислений, обеспечивая практику и опыт, используя самые передовые технологии.

«Это позволяет вам экспериментировать и узнавать о квантовых алгоритмах и программах, взаимодействуя с ним точно так же, как вам пришлось бы взаимодействовать с будущим отказоустойчивым квантовым компьютером», — говорят разработчики.

Базовый уровень платформы включает в себя три программных интерфейса. На продвинутом уровне представлена обширная библиотека материалов с доступом к урокам, руководствам, кураторским проектам сообщества и возможностью делиться проектами и совместно их создавать.

На уровне Quokka Stories — сборнике уроков, основанных на повествовании — происходит ориентация на образовательную программу, переосмысливающую науку, технологию, инженерное дело и математику через призму обработки информации. Поскольку люди пока плохо представляют, как и зачем использовать квантовые платформы, возможность ознакомиться с ними хотя бы на уровне простейших эмуляторов — это правильное решение, на которое стоило бы обратить внимание образовательным учреждениям.

Учёные из научно-образовательного центра «Функциональные микро/наносистемы», созданного на базе МГТУ им. Н.Э. Баумана и Всероссийского научно-исследовательского института автоматики (ВНИИА) им. Н.Л. Духова, запустили сверхпроводниковый квантовый процессор, показавший самую высокую точность операций среди отечественных устройств. Его характеристики сопоставимы с достижениями ведущих мировых разработчиков квантовой техники.

Источник изображений: пресс-служба МГТУ им. Н. Э. Баумана

Согласно имеющимся данным, точность выполнения на новом устройстве простых однокубитных алгоритмов составила 99,76 %, а более сложных двухкубитных — 99,11 %. Достигнутые результаты являются рекордными для российской науки и вполне сопоставимы с лучшими достижениями зарубежных разработчиков. Например, самый современный квантовый процессор IBM Torino 133 с архитектурой Heron R1 показывает среднюю точность двухкубитных операций 99,14 %, что незначительно лучше результата российского аналога.

Напомним, квантовые процессоры представляют собой устройства, использующие принципы квантовой физики для обработки информации. Вычислительные операции реализуются с помощью частиц в состоянии суперпозиции, т.е. они могут находиться в нескольких местах или проявлять несколько свойств одновременно. Это даёт возможность осуществлять проведение множества параллельных операций, что повышает скорость расчётов и снижает задействованные для этого вычислительные мощности. При этом результаты квантовых вычислений носят вероятностный характер.

Новый квантовый процессор называется Snowdrop 4Q. Система состоит из чипа на основе четырёх кубитов, модулей считывания их сигналов с параметрическими криоусилителями и блоков управляющей электроники. Полученные характеристики квантового процессора позволили впервые в РФ реализовать серию сложных алгоритмов, состоящих из сотни квантовых логических операций. Помимо прочего, была смоделирована намагниченность материала (модель Изинга), решено уравнение теплопроводности и реализован квантовый алгоритм для решения систем уравнений.

«Лучшее испытание для процессора — это запустить на нём сложный алгоритм с использованием всех имеющихся кубитов, что мы и сделали. Непосредственно калибровка и полная характеризация квантовой системы — сложный процесс, и над ним мы работали последние три месяца. Точности логических операций, которых достиг наш чип, позволили провести целую серию операций, направленных на решение практических задач ФГУП ВНИИА», — рассказал ведущий разработчик квантовых процессоров Научно-образовательного центра Никита Смирнов.

Он также сообщил, что в рамках проведённых экспериментов учёные опробовали свой метод смягчения ошибок, в основе которого нейросетевое обучение. Для оценки результатов, полученных с помощью Snowdrop 4Q, исследователи запустили те же алгоритмы на 127-кубитном чипе IBM Eagle в облачном доступе. В итоге точности отечественного процессора подтвердились на более мощном американском аналоге.

Результат выполнения алгоритма HHL

Научный руководитель ВНИИА Александр Андрияш рассказал, что команда исследователей разрабатывает и реализует ряд практически значимых квантовых алгоритмов, которые позволят ускорить процесс решения важных задач для физического моделирования. «Мы достигли знакового результата, к которому шли почти три года — от разработки эффективного квантового алгоритма до его запуска на квантовом «железе». В итоге мы убедились в том, что наш подход работает и, более того, прокладывает путь к созданию практически полезного вычислителя. В планах — дальнейшее улучшение уже серийных технологий изготовления квантовых устройств и увеличение количества кубитов с повышением точности квантовых операций», — рассказал Александр Андрияш.

Результаты расчетов динамики цепочки Изинга на процессорах Snowdrop 4Q и IBM

Учёный уточнил, что представленная разработка представляет собой сопроцессор для классического компьютера. С его помощью удастся решить наиболее трудные для традиционной микроэлектроники подзадачи. Также известно, что чипы изготовлены по воспроизводимой технологии Научно-образовательного центра, что позволит развивать мощности уже созданного вычислительного комплекса, а также сделает возможным серийное изготовление новых квантовых компьютеров, ориентированных на конкретные технические проекты.

Результаты характеризации квантового процессора Snowdrop 4Q

«Результаты, полученные учёными, по сути, означают, что в нашей стране создан независимый, работоспособный, пусть и небольшой, квантовый компьютер. Это даёт возможность отечественным науке и промышленности решать задачи, используя квантовые вычисления, на собственной технологической базе, что позволяет прогрессировать вне зависимости от международной обстановки», — считает профессор кафедры атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники МГУ Николай Кленов. По его мнению, уже в скором времени квантовые процессоры станут обязательной частью инфраструктуры любого суперкомпьютера. Такой подход позволит в значительной степени расширить функциональность вычислительных комплексов и обеспечить прорывы в материаловедении, ядерных технологиях, высокоточной микроэлектронике и др.

Даже большинству специалистов квантовые вычислители представляются запредельно сложными устройствами, к которым можно подходить лишь с высокой академической степенью за плечами. Компания D-Wave спешит разрушить это впечатление, по крайней мере, по отношению к своим платформам. Только что представленная гибридная квантово-классическая система требует лишь корректной постановки задачи. С этим справится даже неспециалист, что даст быструю практическую выгоду.

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

Как пояснил на конференции Qubits 2024 вице-президент D-Wave по квантовым технологиям, Мюррей Том (Murray Thom), о революции в квантовых вычислениях и сложном и длинном пути к ней говорит тот, кто только в начале этого пути. Компания D-Wave давно преодолела этот этап, добравшись до стадии практического применения квантовых вычислений.

«Мы сосредоточены на том, чтобы упростить людям создание приложений с помощью этой технологии, — пояснил Том. — И это основное внимание в случае нового вычислителя для нелинейного программирования, который мы выпускаем. Таким образом, он представляет более мощный способ получить решение проблемы».

По словам управленца D-Wave, новая система с возможностью использовать до 2 млн переменных и констант на порядок производительнее других квантовых платформ компании. В основе гибридного компьютера лежит далеко не новая архитектура D-Wave — платформа Advantage. Первые системы Advantage компания начала поставлять заказчикам в сентябре 2020 года. В максимальной конфигурации компьютер Advantage содержал 5000 кубитов в кластерах по 15 кубитов в каждом (запутанность обеспечивалась лишь внутри кластеров).

Новая система Advantage 2 пока добралась лишь до 1200 кубитов, но теперь каждый кластер содержит по 20 кубитов (связей) и это пока другая и всё ещё не ясная до конца история. Поэтому компания довела до коммерческой зрелости предыдущую платформу и предоставила к ней облачный доступ D-Wave Leap quantum cloud. Если клиент затрудняется поставить задачу, специалисты компании всегда могут перевести его требования в понятные инструкции для решения задачи квантовой системой.

Например, ещё в «ковидные» времена D-Wave помогла компании Pattison Food Group организовать оптимальную индивидуальную доставку продуктов на дом, сэкономив менеджерам 80 % времени на составление расписания курьерам. Платформы D-Wave используют принцип так называемого квантового отжига, что идеально для оптимизации множества задач. Теперь эта услуга будет доступна в облаке с наименьшими затратами для клиентов, если сравнивать предоставление аналогичных услуг компаниями с суперкомпьютерами.