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.

Google совершила прорыв в области квантовых вычислений. Благодаря новому улучшенному процессору и усовершенствованной системе коррекции ошибок удалось значительно увеличить время жизни квантового кубита. Как сообщает Ars Technica, учёным удалось создать квантовый процессор Willow, который впервые преодолел порог квантовой коррекции ошибок. Это значит, что при увеличении числа кубитов частота ошибок не растет, а снижается. Кроме того, на полностью задействованном процессоре со 105-кубитами логический квантовый бит оказался стабилен в среднем на протяжении часа.

Источник изображения: Google

Для развития квантовых технологий Google построила собственный производственный центр для создания сверхпроводящих процессоров. «Ранее все устройства Sycamore изготавливались в общей лаборатории университета, где рядом работали аспиранты и другие исследователи, занимавшиеся различными экспериментами, — говорит Джулиан Келли (Julian Kelly), представитель команды Google. — Однако мы инвестировали значительные средства в создание нового предприятия, наняли персонал, оснастили его оборудованием и перенесли туда наши процессы».

Первым результатом работы нового центра стало увеличение числа кубитов до 105 единиц на процессоре Willow, который стал вторым поколением квантовых процессоров Google. Новая архитектура этого процессора позволила снизить уровень ошибок благодаря увеличению размеров отдельных кубитов, сделав их менее чувствительными к шуму. Этот прогресс подтвердился и в ходе тестов, проведённых с использованием фирменного бенчмарка Google. «Мы пришли к тому, что выполнение задачи на нашем новом процессоре занимает менее пяти минут, тогда как классическому компьютеру потребовалось бы время соизмеримое с возрастом Вселенной», — отметил Келли. Если точнее, то Willow менее чем за пять минут решил задачу из квантового бенчмарка RCS, на которую у Frontier (самого быстрого суперкомпьютера в мире) ушло бы 10 септиллионов (10²⁴) лет.

Ключевым аспектом исследования стало поведение логических кубитов, представляющих из себя главный элемент квантовых вычислений. Они состоят из нескольких аппаратных кубитов, которые работают вместе для выявления и исправления ошибок. Для выполнения сложных алгоритмов, требующих нескольких часов, стабильность таких кубитов крайне важна, и новый результат Google подтверждает, что улучшенная система коррекция ошибок может обеспечить необходимый уровень надёжности. Квантовая коррекция ошибок — задача, которая стояла перед исследователями последние 30 лет и мешала практическому использованию квантовых компьютеров.

Для этого был использован специальный код коррекции ошибок, представляющий из себя «поверхностный код» (этот код также должен быть устойчив к ошибкам), который должен идеально вписываться в квадратную сетку расположения кубитов. Увеличение размера этой сетки и использование всё большей её части улучшает и коррекцию. Исследование показало, что переход от расстояния трёх к пяти и затем к семи снижает количество ошибок вдвое на каждом этапе. «Мы увеличиваем сетку по этой системе, и уровень ошибок падает в два раза на каждом этапе», — пояснил Майкл Ньюман (Michael Newman) из Google.

Однако кубиты всё ещё подвержены редким сбоям. Одной из причин являются локальные всплески ошибок, другая причина кроется в более сложном феномене, включающем одновременные ошибки в области, состоящей из примерно 30 кубитов. Пока таких событий зафиксировано лишь шесть, поэтому их изучение затруднено и в Google подчёркивают, что «эти события настолько редки, что нам сложно собрать достаточно статистики для их анализа».

Кроме улучшения стабильности, увеличение размера кода коррекции ошибок позволяет значительно усилить эффект от будущих аппаратных улучшений. Например, в Google подсчитали, что улучшение производительности аппаратных кубитов в два раза при кодовом расстоянии Хэмминга d-15 снизит ошибки логического кубита в 250 раз. При расстоянии d-27 это же улучшение приведёт к уменьшению ошибок более чем в 10 000 раз.

При этом полное устранение ошибок невозможно. «Важно понимать, что всегда будет определённый уровень ошибок, но его можно снизить до уровня, когда он станет практически незначительным», — отметили в компании. Несмотря на необходимость дальнейших исследований для увеличения времени жизни логических кубитов и масштабирования системы, команда Google уверена в достижении своих целей, а экспоненциальные улучшения подтверждают жизнеспособность технологии.

Полученные результаты открывают путь к построению полезных на практике квантовых систем. К концу десятилетия Google планирует создать полноценный отказоустойчивый квантовый компьютер и начать предоставлять квантовые вычисления через облако.

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.

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.

Канадская компания Nord Quantique на сайте arXiv выложила статью, в которой сообщила о создании альтернативной архитектуры кубита. Ценность разработки в том, что каждый участвующий в вычислениях логический кубит может быть представлен всего одним физическим кубитом. Все возникающие в процессе ошибки исправляются им самим без привлечения других физических кубитов, что открывает путь к массовым квантовым компьютерам.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Компания Nord Quantique является дочерним предприятием факультета квантовой физики Шербрукского университета — одного из ведущих центров квантовых исследований в Канаде. Это предполагает крепкое теоретическое обоснование разработок компании в дополнение к возможности производить оборудование на заводе в Шербруке. Свой «альтернативный» кубит Nord Quantique создала в одном экземпляре. Статья и работа базируются на проверке его работы вне рамок вычислений, которые начнут проводиться ближе к концу текущего года.

Физическое представление кубита. Источник изображения: Nord Quantique

Интересно, что канадцы фактически перевернули с ног на голову архитектуру, давно используемую в квантовых компьютерах IBM и Google в виде так называемых трансмониевых сверхпроводящих кубитов. Кубиты в компьютерах IBM и Google хранят информацию в сверхпроводящей петле, а управляются микроволновым резонатором, в котором микроволновые фотоны задерживаются на какое-то время. Кубит Nord Quantique, напротив, хранит информацию — квантовые состояния — в микроволновых фотонах, удерживаемых в резонаторах, а сверхпроводящая петля управляет его состоянием.

Хитрость в том, что в резонатор можно запустить избыточное количество фотонов. Чем их больше, тем меньше вероятность появления ошибки. Избыточность — это хорошо проверенный и доказанный способ снизить количество ошибок, что широко применяется в обычных вычислениях.

В работе Nord Quantique показано, что предложенная архитектура кубита снизила вероятность появления ошибки на 14 %. К сожалению, общая точность пока низкая и начинается примерно с 85 %, что значительно ниже, чем в других системах, прошедших многолетнюю разработку. И всё же, в некоторых случаях бозонный кубит, как назвали его в Nord Quantique, показал точность работы на уровне 99 %. Иными словами, перспективы у него есть, если компания начнёт быстро догонять конкурентов.

Квантовый компьютер на сверхпроводящих кубитах

Было бы заманчиво увидеть масштабное применение кубита Nord Quantique. Для кубитов IBM и Google безошибочная работа кубитов означает, что каждый логический кубит должен состоять из 1000 физических кубитов. Для логического кубита Nord Quantique нужен всего один физический кубит или, по крайней мере, десятки, а не тысячи всех этих петелек, резонаторов, коаксиальных разъёмов и прочей мелочи, которая в масштабе представляет то, что мы видим на современных фотографиях квантовых систем: огромные хромированные люстры.

На ежегодной конференции IBM по квантовым вычислениям Quantum Summit 2023 корпорация представила новейший 133-кубитный квантовый процессор Heron и первый модульный квантовый компьютер IBM Quantum System Two на его базе. IBM также анонсировала процессор Condor с 1121 кубитом, который имеет на 50 % большую плотность кубитов. По словам главного квантового архитектора IBM Маттиаса Стефана (Mattias Stephan), усилия по созданию этого устройства «открыли путь к масштабированию» квантовых вычислений.

Источник изображений: IBM

Процессор Condor является частью долгосрочных исследований IBM по разработке крупномасштабных квантовых вычислительных систем. Хотя он располагает огромным количеством кубитов, производительность его сравнима с 433-кубитным устройством Osprey, дебютировавшим в 2022 году. Это связано с тем, что простое увеличение количества кубитов без изменения архитектуры не делает процессор быстрее или мощнее. По словам Стефана, опыт, полученный при разработке Condor и предыдущего 127-кубитного квантового процессора Eagle, проложил путь к прорыву в перестраиваемой архитектуре процессора Heron.

«Heron — наш самый производительный квантовый процессор на сегодняшний день, он обеспечивает пятикратное снижение ошибок по сравнению с нашим флагманским устройством Eagle, — сказал Стефан. — Это было путешествие, которое готовилось четыре года. Он был разработан с учётом модульности и масштабирования».

Ранее в этом году компания IBM продемонстрировала, что квантовые процессоры могут служить практическими платформами для научных исследований и решения проблем химии, физики и материаловедения, выходящих за рамки классического моделирования квантовой механики методом грубой силы. После этой демонстрации исследователи и учёные из многочисленных организаций, включая Министерство энергетики США, Токийский университет, Q-CTRL и Кёльнский университет, использовали квантовые вычисления для решения более крупных и сложных реальных проблем, таких как открытие лекарств и разработка новых материалов.

«Мы твёрдо вступили в эпоху, когда квантовые компьютеры используются в качестве инструмента для исследования новых рубежей науки, — сказал Дарио Хил (Dario Gil), старший вице-президент и директор по исследованиям IBM. — Поскольку мы продолжаем совершенствовать возможности масштабирования квантовых систем и приносить пользу посредством модульной архитектуры, мы будем и дальше повышать качество стека квантовых технологий промышленного масштаба».

IBM Quantum System Two размещена на объекте в Йорктаун-Хайтс, Нью-Йорк. Эта система на базе трёх квантовых процессоров Heron станет основой архитектуры квантовых вычислений IBM следующего поколения. Она сочетает в себе масштабируемую криогенную инфраструктуру и классические серверы с модульной электроникой управления кубитами. В результате систему можно будет расширять в соответствии с будущими потребностями, и «апгрейдить» при появлении следующего поколения квантовых процессоров.

Стремясь облегчить разработчикам и инженерам работу с квантовыми вычислениями, IBM анонсировала выход в феврале 2024 года версии 1.0 набора программных инструментов с открытым исходным кодом Qiskit, который позволяет создавать квантовые программы и запускать их на IBM Quantum Platform или симуляторе. В дополнение к Qiskit, IBM анонсировала Qiskit Patterns — способ, позволяющий квантовым разработчикам легко создавать код и оптимизировать квантовые схемы с помощью Qiskit Runtime, а затем обрабатывать результаты.

«С помощью Qiskit Patterns и Quantum Serverless вы можете создавать, развёртывать, запускать квантовые программы и в будущем предоставлять доступ к ним другим пользователям», — заявил Джей Гамбетта (Jay Gambetta), вице-президент IBM Quantum. На презентации он продемонстрировал использование генеративного ИИ на базе Watson X для создания квантовых схем при помощи базовой модели Granite, обученной на данных Qiskit. «Мы действительно видим всю мощь генеративного ИИ для облегчения труда разработчиков», — заключил Гамбетта.

Учёные из Массачусетского технологического института представили альтернативную архитектуру сверхпроводящего кубита с более продолжительным временем работы и меньшей чувствительностью к ошибкам. Это две ключевые характеристики, которые могут привести к появлению коммерческих универсальных квантовых компьютеров. Архитектура испытана на одно- и двухкубитовых схемах, чем подтвердила свою перспективность.

Источник изображения: MIT

Современные квантовые вычислители компаний Google и IBM на сверхпроводящих кубитах для построения логических элементов используют так называемые трансмониевые кубиты (transmon). В основе таких кубитов лежит джозефсоновский переход, работающий на одной частоте. Около десяти лет назад были предложены кубиты на двухчастотных джозефсоновских переходах. Архитектурно трансмониевые кубиты можно считать одиночками, тогда как флюксониевые кубиты задействованы группами — цепочками, в которых несколько или даже множество джозефсоновских переходов. В этих группах низкочастотные флюксониевые кубиты использовались для хранения квантовых состояний (кубитов), а высокочастотные — для логических операций (гейтов).

Со временем было показано, что флюксониевые кубиты способны примерно на порядок дольше удерживать кубиты в когерентном состоянии, что давало время на выполнение логических операций с более низкой вероятностью возникновения ошибок, чем в случае трансмониевых кубитов. Так, одна из работ лета этого года показала, что время жизни флюксониевого кубита достигло 1,43 мс. До недавнего времени специалисты мало работали с флюксонием, но такие его выдающиеся качества игнорировать нельзя — это может стать кратчайшим путём к производительным и масштабируемым универсальным квантовым компьютерам.

Отказоустойчивая квантовая архитектура, в которой трансмониевый кубит связывает два флюксониевых кубита. Источник изображения: American Physical Society

В новой работе исследователи из MIT показали, как можно повысить надёжность работы (помехоустойчивость) флюксониевых кубитов. Дело в том, что сильная связь, образующаяся между флюксониевыми кубитами в цепочке, кроме полезных свойств также вела к увеличению влияния ошибок. Поэтому учёные фактически разбавили флюксониевые кубиты трансмониевыми, врезав трансмониевый элемент между двумя флюксониевыми.

Проведенные для однокубитовой и двухкубитовой флюксониевой схемы исследования показали, что точность работы двухкубитовых вентилей на основе новой архитектуры достигла 99,9 %, а однокубитной — рекордного значения в 99,99 %, о чём учёные рассказали в статье в журнале в журнале Physical Review X.

В бытность Дональда Трампа (Donald Trump) президентом США американские власти организовали слежку за сотрудниками Huawei и ZTE на кубинских предприятиях двух компаний. Эта операция укрепила уверенность администрации Трампа в том, что производители телекоммуникационного оборудования способствуют шпионской деятельности Китая в отношении США, сообщает The Wall Street Journal (WSJ).

Источник изображения: huawei.com

Американским властям известно, что Huawei и ZTE непосредственно не выпускают специализированного шпионского оборудования, но производимая ими продукция гражданского назначения — серверы и сетевое оборудование — могла применяться для передачи данных в Китай, продолжают настаивать в Вашингтоне. Китайская разведывательная база на Кубе действует как минимум с 2019 года, заявил близкий к американским властям источник WSJ — Пекин и Гавана совместно управляли четырьмя станциями прослушивания на острове, а сейчас ведут переговоры о создании совместного военного учебного центра на северном побережье Кубы.

Примечательно, что комментарии по поводу инцидента отказались дать не только американские посольства Китая и Кубы, но также офис Директора Национальной разведки США и администрация президента США. В Huwaei в очередной раз подчеркнули, что не имеют отношения к китайской разведке.

А вот официальный представитель Пентагона Джон Кирби (John Kirby) накануне заявил, что ведомство было осведомлено об этой программе, и за работающими на Кубе сотрудниками китайских компаний действительно велась слежка. «Не то чтобы мы не знали об этом, не то чтобы мы за этим не следили», — уклончиво заявил чиновник. При этом никаких фактов, подтверждающих связь Huawei и ZTE с деятельностью китайской разведки, американская сторона так и не предоставила.

Intel объявила о выпуске 12-кубитного кремниевого чипа Tunnel Falls и его доступности для квантовых исследователей. Используя Tunnel Falls, учёные могут сразу же приступить к экспериментам и расчётам, вместо того чтобы пытаться изготовить свои собственные устройства. В результате становится возможным более широкий спектр исследований, включая изучение основ кубитов и квантовых точек и разработка новых методов работы с устройствами с несколькими кубитами.

Источник изображений: Intel

«Tunnel Falls — это самый совершенный на сегодняшний день чип Intel с кремниевыми спиновыми кубитами, созданный на основе многолетнего опыта компании в разработке и производстве транзисторов. Это следующий шаг в долгосрочной стратегии Intel по созданию полнофункциональной коммерческой системы квантовых вычислений. Несмотря на то, что на пути к устойчивому к ошибками квантовому компьютеру необходимо решить фундаментальные вопросы и задачи, академическое сообщество теперь может изучить эту технологию и ускорить развитие исследований», – сообщил Джим Кларк (Jim Clarke), директор Quantum Hardware, Intel.

Tunnel Falls производится на 300-мм пластинах на фабрике Intel D1. 12-кубитное устройство использует самые передовые возможности промышленного производства транзисторов Intel, такие как литография в экстремальном ультрафиолете (EUV). В кремниевых спиновых кубитах каждый бит информации (0/1) закодирован спином (направлением вращения) одного электрона. Каждое кубитное устройство, по сути, представляет собой электронный транзистор, что позволяет изготавливать его по технологии, аналогичной стандартной линии на основе комплементарных оксидов металлов и полупроводников (CMOS).

Благодаря использованию этой отработанной технологии, производство Tunnel Falls обеспечивает выход годных чипов на уровне 95 % по всей пластине, позволяя получать с каждой пластины более 24 000 рабочих квантовых чипов. Эти чипы могут образовывать конфигурации от 4 до 12 кубитов, которые можно изолировать или использовать в операциях одновременно, в зависимости от потребностей исследователей.

Intel считает, что кремниевые спиновые кубиты превосходят другие технологии кубитов из-за их синергии с передовыми транзисторами. Будучи размером с транзистор (≈ 50 × 50 нм), они в миллион раз меньше, чем другие типы кубитов, что, согласно Nature Electronics, «может быть платформой с наибольшим потенциалом для масштабирования квантовых вычислений».

Следует отметить усилия Intel, направленные на дальнейшие исследования аппаратного обеспечения — похоже, что компания не готова остановиться на одном решении. Ведь, как и большинство кубитов, спиновые кубиты на основе полупроводников могут быть реализованы разными способами. Базовая технология позволяет обнаруживать отдельные электроны в изолированных ямах и управлять их спинами, чтобы кодировать информацию в квантовом состоянии.

Существует три подхода к созданию кремниевых спиновых кубитов, включая конфигурацию Loss-DiVencenzo, конфигурацию Single-Triplet (S-T0) и Exchange-Only. «У каждого решения есть свои сильные и слабые стороны с точки зрения изготовления, с точки зрения физики и с точки зрения масштабируемости», — пояснил Кларк. По его словам, Intel изучает множество параметров, таких как разные размеры квантовых точек, разная геометрия, разная длина кубитов. Intel также встраивает в свой чип средства тестирования для определения производительности.

Intel объявила о сотрудничестве с лабораторией физических наук (LPS) университета Мэриленда, Qubit Collaboratory (LQC) в Колледж-Парке, национальным исследовательским центром квантовых информационных наук (QIS), Sandia National Laboratories, университетом Рочестера и университетом Висконсин-Мэдисон для продвижения исследований в области квантовых вычислений. Компания планирует предоставить доступ для разработчиков и исследователей к своему набору инструментов Intel Quantum Software Development Kit (SDK) версии 1.0 в этом году через Intel Developer Cloud.

«Наша цель — подключить Quantum SDK к реальному оборудованию. Это своего рода дезагрегированный подход. На данный момент мы сосредоточены как на программном, так и на аппаратном обеспечении, и в дальнейшем мы объединим их. Предстоит проделать огромный объем работы, чтобы охарактеризовать эти устройства, а затем написать много научных работ», — добавил Кларк.

LPS Qubit Collaboratory (LQC) является одним из исследовательских центров министерства обороны в области квантовых информационных наук (QIS), учреждённых в рамках Закона о национальной квантовой инициативе 2018 г. Intel сотрудничает с LQC в рамках программы Qubits for Computing Foundry (QCF) через Исследовательское управление армии США.

Intel заявляет, что сотрудничество с LQC поможет демократизировать кремниевые спиновые кубиты, позволив исследователям получить практический опыт работы с их масштабируемыми массивами. По словам Кларка, Intel предоставит квантовые устройства, в то время как исследовательские организации будут нести ответственность за приобретение и настройку необходимой инфраструктуры, такой как системы криоконтроля. Пока Intel не предоставляет чипы Horse Ridge II для криоконтроля, но может сделать это в будущем.

Представители научных учреждений, участвующие в программе, единодушны в том, что участие Intel является важной вехой в демократизации исследования спиновых кубитов и их перспектив для квантовой обработки информации и ведёт к объединению промышленности, научных кругов, национальных лабораторий и правительства.

По мнению учёных, устройство представляет собой гибкую платформу, позволяющую напрямую сравнивать различные кодировки кубитов и разрабатывать новые режимы работы, что позволяет внедрять новые квантовые операции и алгоритмы в многокубитном режиме и ускорять скорость обучения в квантовых системах на основе кремния.

Исследователи также высоко оценивают надёжность Tunnel Falls, а возможность работать с промышленными устройствами Intel открывает, по их мнению, перспективы для технического прогресса и обучения.

Intel планомерно работает над повышением производительности Tunnel Falls и интеграции его в свой полный квантовый стек с помощью комплекта Intel Quantum SDK. Кроме того, Intel уже разрабатывает свой квантовый чип следующего поколения на базе Tunnel Falls, ожидается, что он будет выпущен в 2024 году. В будущем Intel планирует сотрудничать с дополнительными исследовательскими институтами по всему миру для создания квантовой экосистемы.

Идеальной платформы для квантовых компьютеров пока нет. Есть неплохие кандидаты на роль кубитов, но каждый из них несёт багаж недостатков. Учёные из Нидерландов попытались создать гибридные кубиты, сочетая лучшие и нивелируя худшие их свойства, и преуспели в этом. Перспективный гибридный кубит лёгок в производстве, прост в управлении и стабилен. Правда, пока только в лаборатории и на бумаге.

Учёный держит квантовый чип пинцетом, перед установкой на плату. Источник изображения: QuTech

Исследователи уже не раз горели желанием сочетать сверхпроводящие и спиновые явления. Кубиты на основе сверхпроводников, которые используют стабильные состояния электромагнитных полей или моды, хорошо изучены и используются на практике в составе квантовых компьютеров IBM, Google и других. Такие кубиты хорошо взаимодействуют на больших расстояниях и легко управляются, хотя они относительно большие и имеют предел по скорости выполнения операций.

Спиновые кубиты на атомах или элементарных частицах малы и могут массово выпускаться даже на полупроводниковых заводах из 80-х годов прошлого века. Но такие кубиты ограничены по дальности взаимодействия и управления. Как взять одни свойства перспективных кубитов и отбросить другие? Эту задачу попытались решить учёные из QuTech — исследовательской организации, созданной Делфтским технологическим университетом и Нидерландской организацией прикладных научных исследований (TNO).

В свежей работе, опубликованной в Nature Physics, учёные рассказали о создании и успешных испытаниях гибридной спиново-сверхпровдящей платформы. «В нашем эксперименте нам удалось напрямую манипулировать спином кубита с помощью микроволнового сигнала, — сказал Арно Баргербос (Arno Bargerbos), один из авторов работы. — Мы добились очень высоких "частот Раби", что является показателем того, насколько быстро сигнал может управлять кубитом».

Можно сказать, что учёные улучшили так называемый «спиновый кубит Андреева», который строится на основе ряда квантовых эффектов, названных именем советского физика Александра Фёдоровича Андреева. В джозефсоновских контактах, где сверхпроводящий ток течёт без напряжения, существуют микроскопические электронные состояния — андреевские уровни, каждый из которых может рассматриваться как микроскопический источник эффекта Джозефсона. Они же являются родительскими состояниями майорановских мод.

Джозефсоновские переходы или контакты способны также захватывать сверхпроводящие квазичастицы со своими спинами. Тем самым появляется связь между сверхтоками и спинами. Сверхпроводящим током можно изменять направление спина, а детектирование спина может регистрировать сверхпроводящие токи.

«Наконец, — продолжает Баргербос, — мы продемонстрировали первую прямую сильную связь между спиновым кубитом и сверхпроводящим кубитом, что означает, что мы смогли заставить эти два кубита взаимодействовать контролируемым образом. Это говорит о том, что "спиновый кубит Андреева" может стать ключевым элементом для соединения квантовых процессоров, основанных на радикально различных технологиях кубитов: полупроводниковых спиновых кубитах и сверхпроводящих кубитах».

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.