Группа китайских учёных из Университета электронных наук и технологий Китая (UESTC), Университета Цинхуа и Шанхайского института микросистем и информационных технологий создала полупроводниковый источник запутанных фотонов, что может стать «замечательным потенциалом» для создания небольших и надежных квантовых чипов. В основе разработки лежит нитрид галлия (GaN), десятилетиями использующийся для выпуска синих светодиодов.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Запутывание фотонов позволяет защищать передаваемую информацию (квантовое распределение ключей) и выполнять квантовые вычисления или симуляции. И первые, и вторые операции можно выполнять с помощью пар запутанных фотонов. Другое дело, что их запутывание остаётся относительно сложным процессом, требующим особенных источников света, к примеру, на основе нитрида кремния или фосфида индия. Переход на нитрид галлия, хорошо знакомый производителям светодиодов и чипов, позволит шире и мощнее использовать квантовые каналы связи, а также подумать о создании квантовых систем на чипе.

Разработанный китайскими учёными источник запутанных фотонов представляет собой вытравленное на плёнке нитрида галлия кольцо диаметром 120 мкм (сама плёнка выращена на сапфировой подложке традиционным способом). При освещении кольца лучом лазера в инфракрасном диапазоне часть фотонов оказываются в своеобразной ловушке и начинают перемещаться по кольцу. Некоторые из таких частиц становятся резонансными парами. Резонансные пары, в свою очередь в процессе так называемого четвертьволнового смешения — известного явления в нелинейной оптике (кольцо из нитрида галлия — это и есть нелинейный оптический канал), порождают новую пару уже запутанных друг с другом частиц.

Измерения показали, что возникающая в кольце нитрида галлия запутанность такого же качества, как и в случае с другими квантовыми источниками света. Иными словами, предложенное решение можно брать на вооружение при проектировании оборудования для квантовых каналов связи и для квантовых процессоров. Более того, диапазон длин волн у GaN-источника света простирается до 100 нм против 25,6 нм у «традиционных» источников света. А это, в свою очередь, позволит расширить и уплотнить каналы передачи квантовой информации.

По словам разработчиков, помимо квантового источника света, GaN также является многообещающим материалом для изготовления других компонентов квантовых схем, включая лазер с накачкой и детекторы лёгких частиц. «Платформа GaN имеет значительные перспективы для создания квантовых фотонных интегральных схем “всё на кристалле” по сравнению с существующими платформами», — резюмируют учёные.

Чувствительность квантовых состояний к слабейшим внешним помехам продолжает оставаться камнем преткновения на пути к квантовому интернету и распределённым квантовым вычислениям. Решением проблемы станет открытие квантовой памяти, которая позволит сохранять и считывать квантовые состояния без разрушения. Это сняло бы проблему квантовых повторителей и развёртывания глобальных сетей квантового интернета.

Источник изображений: Imperial College London

Группа учёных из Имперского колледжа Лондона предложила свой способ решения этих проблем. Они создали и испытали платформу по записи квантовых состояний фотонов в облаке атомов рубидия. Нейтральные холодные атомы, как хорошо известно, часто выступают в роли платформ с ярко выраженными квантовыми свойствами.

Исследователи создали целую систему для генерации фотонов, преобразования их длин волн в необходимую для передачи по волоконно-оптической сети и записи в облако атомов рубидия. Своеобразным активатором «памяти» стал лазер, импульс которого включал её и отключал. Фотоны генерировались квантовыми точками, а затем с помощью фильтров и модуляторов им придавалась другая частота, соответствующая длине волны 1529,3 нм для передачи по оптике.

До попадания в облако атомов рубидия частота фотонов подвергалась ещё одной корректировке, но уже с прицелом на то, чтобы атомы рубидия могли их поглощать. Такую память назвали ORCA (нерезонансное каскадное поглощение). Лазерный импульс, о котором упоминали выше, своим воздействием менял свойства атомов рубидия по поглощению фотонов.

Эксперименты показали, что система может работать на стандартном оптоволоконном оборудовании. Эффективность сохранения квантовых состояний фотонов с последующим их извлечением без разрушения составила 12,9 %. Очевидно, что для внедрения этой разработки в практику пройдут годы, если не десятилетия, но это уже тот результат, который можно развивать. К счастью, он такой не один и что-то может стать реальностью намного раньше. Например, предложенная датчанами оптико-механическая квантовая память на запоминании квантовых состояний фотонов в фононах. Но это уже другая история.

Исследователи из Университета Нотр-Дам (University of Notre Dame) создали эффективное покрытие для обычных оконных стёкол. Оно блокирует инфракрасный и ультрафиолетовый свет и полностью пропускает видимое излучение. С таким фильтром на окне в комнате будет светло и прохладно, что важно для стран с жарким климатом, где охлаждение помещений требует огромных расходов энергии. Удивительно, но в создании фильтра помог ИИ и квантовые расчёты.

Источник изображения: University of Notre Dame

По словам учёных, они создали первый в отрасли широкоугольный спектральный фильтр. Благодаря этому достигается полосовая селективность, что позволило сохранить максимум света в оптическом диапазоне, и вырезать из него ультрафиолетовый и несущий тепло инфракрасный свет в ближнем диапазоне этих волн. Более того, впервые в отрасли создана плёнка, которая одинаково хорошо пропускает и фильтрует свет вне зависимости от угла падения солнечных лучей. Иными словами: утром, днём и вечером.

Базовый поиск необходимых оптических материалов осуществлялся с помощью интерактивного машинного обучения и с использованием квантового компьютера. В частности, использовался так называемый квантовый отжиг или нахождение оптимальных значений для набора из множества параметров.

Квантовые алгоритмы и ИИ сузили выбор базовых материалов с необходимыми оптическими селективными характеристиками до кремнезёма, оксида алюминия и титана. Для отражения инфракрасного излучения поверх всех трёх плёнок на стекле добавили кремниевый полимер, который также повысил прочность покрытия. Эксперименты показали, что предложенная плёнка при сохранении прозрачности снижает температуру в помещении на 5,4–7,2 °C. Охлаждающий эффект пленки сохранялся независимо от угла пропускания света снаружи.

Источник изображения: Cell Reports Physical Science

Для стран с жарким климатом, подчёркивают исследователи, предложенный оконный фильтр может снизить годовой расход энергии на охлаждение примерно на 97,5 МДж/м². Для дома средней площади в США это может вылиться в экономию до трети потребляемой в год электрической энергии, о чём исследователи подробно рассказали в статье в журнале Cell Reports Physical Science.

Компания Microsoft совместно с разработчиком квантовых компьютеров Quantinuum сообщила о разработке методологии, которая позволяет значительно снизить частоту появления ошибок при исполнении квантовых алгоритмов. Решение Microsoft не только снижает частоту появления ошибок, но также позволяет исправлять ошибки, что открывает путь к коммерческим квантовым системам и новой эре в вычислениях.

Источник изображения: Microsoft

Современные квантовые платформы подвержены шуму и поэтому ошибки вычислений на них неизбежны и многочисленны. Например, согласно анализу специалистов Google, для достижения полной безошибочности вычислений каждый логический кубит должен состоять из 1000 физических кубитов. Тем самым коммерчески значимый квантовый компьютер из 1000 логических кубитов, на которых будут исполняться алгоритмы, должен состоять из 1 млн физических кубитов. Это будет безумно дорого, но также неэффективно уверяют в Microsoft.

«Простое увеличение числа физических кубитов с высокой частотой ошибок — без улучшения этого показателя — бесполезно, поскольку в результате большой квантовый компьютер станет не более производительным, чем раньше, — утверждают Деннис Том (Dennis Tom), генеральный менеджер Azure Quantum, и Криста Своре (Krysta Svore), вице-президент подразделения Advanced Quantum Development Microsoft. — Напротив, когда физические кубиты с достаточным качеством работы используются со специализированной системой управления и диагностики для обеспечения работы виртуальных кубитов, только тогда увеличение числа физических кубитов приводит к созданию мощных, отказоустойчивых квантовых компьютеров, способных выполнять более длительные и сложные вычисления».

Иначе говоря, необходимы такие решения, которые помогут снизить как частоту появления ошибок физических кубитов, так и логических. Это позволит создавать логические кубиты из меньшего числа физических кубитов и быстрее приведёт к появлению коммерчески значимых квантовых систем, ведь, худо-бедно, а собрать сегодня платформу из 1000 физических кубитов — это реально.

Используя квантовую платформу компании Quantinuum на ловушках ионов и фирменный процессор Quantinuum H2, команда исследователей смогла объединить 30 физических кубитов в четыре высоконадёжных логических кубита. На этих четырёх кубитах было запущено свыше 14 тыс. алгоритмов, в процессе обработки которых не возникло ни единой ошибки. Отдельные эксперименты были посвящены исправлению ошибок логических кубитов без разрушения их состояния. По мнению постановщиков экспериментов — это прорыв и начало новой эры квантовых вычислений.

Это шаг в правильном направлении для квантовых вычислений. Остается ещё много проблем, которые предстоит решить, а затем повсеместно внедрить, но теоретически компьютер со 100 такими логическими кубитами уже может быть полезен для решения некоторых задач, тогда как система с 1000 кубитами, по словам Microsoft, «может обеспечить коммерческое преимущество».

Работа специалистов Microsoft, посвящённая этому исследованию, свободно доступна по ссылке.

Плюсы и минусы использования памяти 3D NAND очевидны: плотность и дешевизна играют против сложности алгоритмов и высокого износа. С кубитами в квантовых процессорах аналогичный подход может дать больше выгоды. Они тоже могут быть многоуровневыми, что увеличит плотность без усложнения архитектуры, а масштабирование квантовых систем пока является большой проблемой. Российские физики выбрали путь использования многоуровневых кубитов и это приносит результат.

Выпущенный в России 8-кубитный процессор. Источник изображения: Университета МИСИС

В журнале Physical Review A. (Q1) вышла новая статья за авторством исследователей Университета МИСИС, Российского квантового центра, ФИАН им. Лебедева и МФТИ, в которой доказана эффективность кутритов — трёхуровневых квантовых систем. Работа освещает два важных аспекта. Во-первых, это независимость от выбора платформы — кубит может быть в принципе любым. Во-вторых, один многоуровневый кубит может заменить два обычных для исполнения алгоритма. В качестве дополнительного эффекта можно ещё назвать симуляцию физических явлений, которые не поддаются расчётам на классических компьютерах.

«Для меня этот результат представляется важным прежде всего потому, что одновременно, фактически в параллельном режиме, квантовые алгоритмы были запущены на двух совершенно разных физических платформах — сверхпроводящей и ионной — в двух ведущих российских исследовательских центрах. Идентичность результатов указывает на высокую достоверность и воспроизводимость расчётов на разных аппаратных средствах и, конечно, на справедливость квантовых постулатов. И, конечно, тот факт, что мы впервые использовали ионные и сверхпроводящие кутриты также выделяет данное исследование: в мире насчитывается всего несколько групп, которые овладели этим методом», — сообщил директор Физического института им. П.Н. Лебедева РАН Николай Колачевский.

Исследователи использовали кутриты — кубиты с двумя основными состояниями и одним дополнительным. В ФИАН была создана платформа на ионах в ловушке, а в НИТУ МИСИС на сверхпроводниковом 8-кубитном процессоре. С помощью кутритов исследователи смоделировали неравновесный фазовый переход нарушения симметрии чётности и времени. Такая симметрия нарушается, если изолированная физическая система начинает взаимодействовать с окружающим миром, теряя при этом часть своей энергии.

Фактически платформами на кутритах был выполнен алгоритм, позволивший смоделировать различные режимы затухающих колебаний абстрактной квантовой системы. Подобная концепция ранее была предложена научной группой хельсинского университета Аалто, однако, в отличие от финских коллег, российским учёным для реализации идеи потребовался всего лишь один кутрит вместо двух полноценных кубитов, что является более экономичным решением с точки зрения ресурсов квантового процессора.

Предложенный подход обещает приблизить практическую ценность квантовых платформ без достижения умопомрачительного количества кубитов в архитектуре. Алгоритмы будут сложнее — этого не отнять. Но с математикой в России всегда было хорошо и это, очевидно, проще, чем создать ресурсоёмкий квантовый компьютер.

«Исследование дополнительного уровня на сверхпроводниковых кубитах представляет для нас больший интерес. Проделанная работа является важным шагом на пути к реализации защищенных логических кубитов с использованием кодов коррекции квантовых ошибок, так как именно утечка квантовой информации на этот уровень считается наиболее трудно исправляемой ошибкой. Кроме того, дополнительный уровень даёт новые возможности с точки зрения выполнения квантовых алгоритмов здесь и сейчас», — сообщила первый автор работы, сотрудник РКЦ и лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий Университета МИСИС Алёна Казьмина.

Но самое главное в проделанной работе — это потенциал к дальнейшему наращиванию числа состояний у отдельных кубитов. Ведь таких может быть больше трёх, что наглядно демонстрирует та же память 3D NAND. Поэтому российские физики не забывают также о куквартах, куквинтах и других многоуровневых кубитах. Но это уже другая история.

Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия), первыми продемонстрировали жизнеспособность «горячих кубитов», концепции которая ранее воспринималась как теоретическая. Разработка учёных на основе спиновых кубитов смогла выполнить операции при температуре в 20 раз выше, чем системы IBM и Google на сверхпроводящих кубитах. Это шаг в будущее к практичным квантовым вычислителям, заявляют разработчики.

Источник изображения: Anna Kucera

В прошлом специалисты UNSW неоднократно доказывали свою состоятельность в разработке квантовых вычислительных платформ. Новый проект обещает сделать квантовые компьютеры дешевле и надёжнее за счёт относительно большого скачка в необходимых для работы системах охлаждения. В случае реализации квантового процессора по новой технологии, охлаждать систему придётся не до долей К в районе абсолютного нуля, а всего до 1 К (кельвина) или до -272 °C вместо -273,15 °C.

На первый взгляд, разница незначительная. Но по факту — это условная пропасть между двумя показателями. И дело не только в том, что охлаждать до 1 K будет проще и дешевле, чем до 0 К. При температуре -272 °C уже могут работать кремниевая электроника, что позволит напрямую сопрягать квантовые (кубитовые) процессоры и обычные процессоры.

Это значит, что вся платформа поместится под одним теплоизоляционным кожухом без необходимости интерфейса между блоками с разным уровнем охлаждения. Масштабировать такие решения станет проще, а также появится возможность использовать классическую логику для коррекции ошибок квантовых алгоритмов.

«Хотя наши квантовые процессоры по-прежнему требуют охлаждения, стоимость и сложность всей системы значительно снижаются при таких повышенных температурах, — говорят разработчики. — Мы были мотивированы задачей достижения высокоточного управления кубитами, их инициализации и считывания данных при повышенных температурах».

Квантовые процессоры Intel на спиновых кубитах работают при температуре менее 1 К, что делает платформу компании более сложной и дорогой. В то же время Intel создаёт классическую логику для управления кубитами при охлаждении до сверхнизких температур, например, 22-нм чипсет Horse Ridge. Однако SoC Horse Ridge не может быть охлаждён ниже температуры 4 К, что заставляет охлаждать их отдельно и соединять через термоинтерфейс. Разработка австралийцев позволила заметно сузить разницу в охлаждении квантовых процессоров и логики и, похоже, постепенно позволит создать общую или гибридную квантовую платформу.

22 марта лидеры стран ЕС подписали «Квантовый пакт», в котором признается важность развития технологий квантовых вычислений для повышения научной и промышленной конкурентоспособности блока. Томас Скордас (Thomas Skordas) из Еврокомиссии описывает «Квантовый пакт» как программу по превращению Европы в «квантовую долину мира». Квантовые вычисления найдут применение во многих сферах, в том числе в медицине, энергетике и моделировании климата.

«Квантовые вычисления позволят значительно повысить производительность, оживить промышленность и открыть новые рынки, приложения и возможности трудоустройства», — заявил Скордас на конференции «Формирование квантового будущего Европы», состоявшейся в Брюсселе. Мероприятие включало в себя основные доклады, групповые дискуссии и семинары по квантовой стратегии ЕС и проводилось в Бельгийском институте естественных наук.

«Квантовый пакт» заложил основу для сотрудничества, инвестиций и инноваций в области технологий квантовых вычислений в ЕС, позиционируя его как мирового лидера в этой области. Пакт подписали 20 европейских стран: Хорватия, Кипр, Чехия, Дания, Эстония, Финляндия, Франция, Германия, Греция, Венгрия, Италия, Латвия, Нидерланды, Польша, Румыния, Испания, Словакия, Словения, Испания и Швеция. Ирландия пакт не подписала.

Страны, подписавшие пакт, намерены расширять взаимовыгодное сотрудничество для улучшения и ускорения исследований, разработок и инноваций в области квантовых вычислений, а также способствовать созданию рабочих мест и широкому использованию квантовых технологий в экономике.

«Только опираясь на наши сильные стороны, работая вместе, проявляя амбиции, ориентируясь на весь спектр деятельности – исследования, промышленность, инфраструктуру, таланты, внешнее партнёрство и многое другое – мы сможем превратить Европу в ведущий регион мира в области квантового совершенства и инновации. Квантовые вычисления помогут нам бросить вызов границам возможного», — добавил Скордас.

В прошлом месяце ЕС и Канада объявили о намерении активизировать своё стратегическое цифровое партнёрство для решения «новых задач цифровой трансформации», таких как ИИ, квантовая наука, полупроводники, государственная политика, связанная с онлайн-платформами, безопасная международная связь, кибербезопасность и цифровая идентичность.

Квантовые вычисления обещают экспоненциально ускорить расчёты, но как и с помощью каких алгоритмов — это человечество пока представляет очень слабо. Очевидно, что чем больше светлых умов будет вовлечено в поиск практического применения квантовых платформ, тем скорее наступит прорыв. При этом важно использовать всё то богатство возможностей, которое предоставляют классические компьютеры. Nvidia Quantum Cloud — это шаг в нужном направлении.

Источник изображения: Nvidia

Компания объявила, что 18 марта запустила облачный сервис, «который позволяет исследователям и разработчикам расширять границы исследований квантовых вычислений в ключевых научных областях, включая химию, биологию и материаловедение». Платформа доступна по подписке через крупных облачных провайдеров.

В основе сервиса Quantum Cloud лежит платформа квантовых вычислений CUDA-Q с открытым исходным кодом. По словам Nvidia, до 75 % компаний, так или иначе развёртывающих физические квантовые платформы, используют CUDA-Q. Иными словами, это востребованный и удобный для решения своих задач продукт. По крайней мере, альтернатив немного. Тем самым Quantum Cloud как услуга «впервые позволяет пользователям создавать и тестировать в облаке новые квантовые алгоритмы и приложения, включая мощные симуляторы и инструменты для гибридного квантово-классического программирования».

«Квантовые вычисления представляют собой следующий революционный рубеж вычислительной техники, и потребуются самые блестящие умы в мире, чтобы приблизить это будущее ещё на шаг, — сказал Тим Коста (Tim Costa), директор по высокопроизводительным вычислениям и квантовым вычислениям в Nvidia. — Nvidia Quantum Cloud устраняет барьеры для изучения этой преобразующей технологии и позволяет каждому учёному в мире использовать возможности квантовых вычислений и приближать свои идеи к реальности».

Важной особенностью Quantum Cloud стала возможность интеграции программного обеспечения сторонних производителей для ускорения научных исследований. На данном этапе в составе платформы можно будет воспользоваться разработанным в сотрудничестве с Университетом Торонто пакетом Generative Quantum Eigensolver, который использует большие языковые модели (LLM), позволяющие квантовым алгоритмам быстрее находить энергию основного состояния молекулы; пакет израильского стартапа Classiq, облегчающий создание больших и сложных квантовых программ, включая глубокий анализ квантовых схем; и пакет QC Ware Promethium, помогающий решать сложные задачи квантовой химии, например, связанные с молекулярным моделированием.

МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова», работающие над созданием технологий квантовых компьютеров с 2016 года, заявили о запуске первого в России контрактного производства сверхпроводниковых квантовых процессоров на 100-мм пластинах. Производство разместится в новом кампусе МГТУ и должно удовлетворить спрос со стороны основных заказчиков, в числе которых технологические компании и научные лаборатории.

Источник изображений: МГТУ им. Н.Э. Баумана

Технологии сверхпроводниковых квантовых схем в значительной степени отличаются от классического полупроводникового КМОП-процессора и требуют соответствующих компетенций при производстве. В НОЦ ФМН (совместный научный центр МГТУ и ВНИИА) осуществили переход от изготовления «отдельных кристаллов» к серийному выпуску за счёт использования собственной технологии сверхпроводниковых джозефсоновских схем, которая является одной из наиболее перспективных при создании высокоточных квантовых процессоров и параметрических усилителей. На одной пластине размещаются сотни чипов разных квантовых устройств, которые объединены единым технологическим маршрутом изготовления.

Разработчикам потребовалось несколько лет, чтобы осуществить переход на серию с соблюдением параметров качества квантовых устройств, которое было достигнуто на отдельных чипах. Специалисты сознательно не хотели снижать уровень качества и в конечном счёте даже смогли улучшить точность изготовления элементов квантовых схем в допуске 0,5 нм. Для масштабирования технологии и организации контрактного производства ещё предстоит дооснастить построенный в этом году в новом Бауманском кампусе исследовательский кластер, площадь чистых комнат которого составляет 2500 м², уже спроектированным оборудованием.

Одна из важнейших задач при постановке серийного техпроцесса заключалась в создании наноразмерных элементов сверхпроводниковых устройств — джозефсоновских переходов. Они представляют собой трёхслойную структуру, состоящую из алюминия, туннельного оксида алюминия и алюминия (Al-AlOx-Al), внутри которой «рождается» кубит при переходе чипа в состояние сверхпроводимости (охлаждение процессора до температуры ниже 273 ºС). Специалисты НОЦ ФМН использовали технологию изготовления джозефсоновских переходов с линейными размерами в десятки нанометров с суб-нанометровой точностью. За счёт этого удалось добиться рекордных показателей воспроизводимости электрических характеристик переходов и параметров кубитов процессоров на мировом уровне.

Для постановки технологии в серийное производство на пластине 100 мм командой исследователей предложена и внедрена математическая модель, симулирующая процесс воспроизводимого форматирования джозефсоновских переходов. Полученные результаты позволяют изготавливать квантовые интегральные схемы с высочайшей точностью контроля частот кубитов.

Компания Rolls-Royce обратилась к квантовым вычислениям, чтобы узнать о подходах для обеспечения безопасной эксплуатации малых ядерных реакторов на удалённых площадках. В будущем ожидается создание множества компактных ядерных силовых установок для добывающих компаний на Земле и в космосе. Все они будут работать под дистанционным наблюдением с локальной автоматикой, для создания надёжных алгоритмов которой привлекаются квантовые компьютеры.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

В Великобритании с лета 2023 года запущена программа раннего доступа к квантовым технологиям (QTAP). Квантовые алгоритмы запускаются на фотонном оборудовании компании Orca Computing с привлечением безошибочных методологий компании Riverlane. Наряду с Rolls-Royce к программе QTAP получили доступ или ждут своей очереди компании Arup, Airbus и порт Дувра. Доступ к программе осуществляется через посредничество национальной программы Digital Catapult, призванной обеспечить промышленности Великобритании доступность квантовых вычислений.

Компания Rolls-Royce прогнала через квантовый вычислитель данные об аварии на АЭС «Фукусима». Она изучала возможность использования модели квантового машинного обучения для быстрого выявления потенциально опасных ситуаций. Это позволило бы реактору безопасно работать и при необходимости останавливаться с минимальным участием человека. О результатах проведенного эксперимента не сообщается. Возможно, понадобятся новые сеансы расчётов.

Джонатон Адамс (Jonathon Adams), помощник главного инженера Rolls-Royce, сказал: «Новая ядерная команда Rolls-Royce очень ориентирована на будущее, стремясь разрабатывать новые революционные технологии и исследовать энергоэффективные приложения для ядерной энергетики на Земле и в космосе. Квантовые технологии, включая квантовые вычисления, будут способствовать этому в течение следующих 15 лет. Важно, чтобы мы развили понимание того, как и когда мы сможем внедрить эту технологию».

Сейчас кубиты в большинстве своём строятся на каком-то одном квантовом состоянии. Наиболее часто для этого используется спин электрона, фотона или атома, как наиболее удобное для управления и манипуляции явление. Но со временем задачи масштабирования заставят подумать об уплотнении кубитов, что вынудит находить в кубитах иные квантовые состояния и учиться управлять ими. Как выяснили учёные, для роста плотности кубитов хорошо подходит сурьма и вот почему.

Художественное представление многоуровневых квантовых состояний. Источник изображения: UNSW Sydney

Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее показали, что атом сурьмы (Sb) может одновременно иметь 16 квантовых состояний. Непосредственно атом обладает 8 уникальными квантовыми состояниями, ещё два дают его электроны. Комбинация каждого из квантовых состояний атома с одним и другим квантовым состоянием электронов в сумме даёт 16 уникальных квантовых состояния. Это как 3D NAND будущего, в каждую ячейку которой можно будет записать по 16 бит данных.

Более того, учёные определили, что квантовыми состояниями атомов и электронов сурьмы можно управлять четырьмя различными способами. Это позволит улучшить работу с кубитами и приблизить появление квантовых универсальных компьютеров. В журнале Nature Communications исследователи опубликовали статью, в которой рассказали о достигнутом результате. Итак, квантовыми состояниями электронов можно было управлять с помощью колебаний магнитного поля. Вращением ядра атома они управляли с помощью магнитного резонанса, как это происходит в сканерах МРТ. Также они использовали для контроля над состоянием ядра электрическое поле. И, наконец, с помощью электрического поля можно управлять так называемыми триггерными кубитами, предложенными учёными UNSW в 2017 году (выше на видео).

«Мы инвестируем в технологию, которая сложнее, медленнее, но по очень веским причинам, одной из которых является чрезвычайная плотность информации, она сможет с этим справиться, — сказал профессор Андреа Морелло (Andrea Morello), ведущий автор исследования. — Иметь 25 млн атомов на квадратный миллиметр — это очень хорошо, но вы должны контролировать их один за другим. Возможность делать это с помощью магнитных, электрических полей или любой их комбинации даст нам множество возможностей для использования [всех их] при масштабировании системы».

Далее команда планирует использовать эти атомы для кодирования логических кубитов, что в конечном итоге может проложить путь к более практичным квантовым компьютерам.

Добавим, дальше всего в создании многоуровневых кубитов продвинулись российские учёные. Они смогли не только создать, но также испытать в работе логические структуры на пятиуровневых кубитах. Но это другая история.

В пятницу в США открылось первое специализированное предприятие для массового выпуска квантовых компьютеров. Двери завода открыла компания IonQ в присутствии делегации от властей штата Вашингтон. Квантовые компьютеры IonQ выглядят как обычные серверные стойки, и этим они подкупают заказчиков, среди которых ряд крупнейших компаний из США, Пентагон и даже швейцарская компания QuantumBasel.

Источник изображения: IonQ

О строительстве уникального для США производства было объявлено чуть больше года назад. Предприятие раскинулось на площади 6000 м² в пригороде Сиэтла Ботелле. Кроме сборочных цехов на территории предприятия развёрнут квантовый ЦОД компании с облачным доступом (второй по счёту в США), исследовательские центры и научный кампус. Компания IonQ не удовлетворилась достигнутым и объявила о расширении площадки до более чем 9000 м².

В настоящий момент компания способна производить и поставлять заказчикам квантовые системы Forte на 35 алгоритмических кубитах (AQ), и в будущем запустят сборку систем Tempo на 64 AQ. Благодаря квантовым законам система Tempo будет производительнее Forte не в два раза, что можно было бы ожидать от обычных классических компьютеров, а в 536 млн раз, за что мы любим и ждём квантовые вычислители. Они обладают невиданным потенциалом в сфере расчётов, но мы пока не можем распорядиться этими возможностями даже на начальном уровне.

IonQ Tempo

Тем не менее, за компьютерами IonQ в очередь выстроились компании Hyundai Motor Company, Airbus, GE Research и другие. Две системы хотят приобрести военные, а ещё две системы ждут в Швейцарии. И это наряду с тем, что ведущие облачные платформы уже предоставляют доступ к квантовым платформам IonQ, включая сервис Amazon Braket.

Квантовая платформа IonQ опирается на кубиты из ионов под управлением лазеров. Такие системы не требуют криогенного охлаждения или, по крайней мере, охлаждаются до относительно высоких температур. Это делает работу с ними удобной и достаточно гуманной по затратам. Когда-нибудь заводы по производству квантовых компьютеров будут открываться пачками, но первый останется таким навсегда.

Немецкая скрупулёзность сыграла решающую роль в обнаружении ряда проблем со стабильностью сверхпроводящих кубитов. Для этого пришлось заново изучить данные сотен научных работ и исследований. В результате проделанной работы в журнале Nature Physics вышла статья 30 авторов, которая объясняет, как можно минимум на один порядок снизить вероятность появления ошибок в квантовых вычислениях.

Типичная криогенная структура квантового компьютера. Источник изображения: Qinu GmbH

Всё началось в 2019 году, когда два аспиранта из Юлихского исследовательского центра (Forschungszentrum Jülich) и Технологического института Карлсруэ Деннис Уилш (Dennis Willsch) и Деннис Ригер (Dennis Rieger) запутались в данных измерений состояний сверхпроводящих кубитов с использованием туннельных переходов Джозефсона. Эта модель принесла Брайану Джозефсону Нобелевскую премию по физике в 1973 году. Она хорошо представлена математически и широко используется для работы со сверхпроводящими кубитами на основе переходов около 15 лет. Данные измерений выходили за рамки модели, и это заставило учёных искать корень проблем.

Под руководством профессора исследователи подняли данные аналогичных исследований учёных Высшей нормальной школы Парижа, работы с 27-кубитовым квантовым компьютером компании IBM и другие. Как позже выяснилось, похожие отклонения в экспериментальных и теоретических данных обнаружили также исследователи из Кёльнского университета. Обе группы объединили усилия и привлекли ещё учёных, заново проанализировав сотни работ по теме. Результат оказался удивительным. Оказалось, что в стандартной модели описание работы переходов Джозефсона не учитывает ряд важных факторов, и это ведёт к ошибкам вычислений.

Влияние гармоник на измерения. Источник изображения: Dennis Rieger/ Patrick Winkel, KIT

Стандартная модель предполагает, что совокупные колебания (мода) в системе переходов Джозефсона имеют вид идеальной синусоиды. На практике мы дошли до такой степени точности измерений, что можем заметить отклонения от идеальной кривой. Всему виной гармоники, самые сильные из которых, как оказалось, влияют на результат измерений. Раньше они никак не учитывались. Коллектив из 30 авторов собрал столько «компромата» на гармоники, что отмахнуться от них больше нельзя. И это хорошо. Уточнённые формулы расчёта состояний сверхпроводящих кубитов могут привести к тому, что квантовые биты станут в 2–7 раз стабильнее, что, как минимум, на порядок снизит вероятность появления ошибок.

«Как непосредственное следствие, мы считаем, что гармоника Джозефсона поможет в разработке более качественных и надёжных квантовых битов за счёт уменьшения ошибок на порядок, что приближает нас на один шаг к мечте о полностью универсальном сверхпроводящем квантовом компьютере», — заключают авторы статьи.

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.

Квантовая неопределённость обещает взвинтить производительность компьютеров и одновременно убивает вычисления своей чувствительностью к малейшим возмущениям среды. Для безошибочных квантовых расчётов необходимо тысячу физических кубитов представить одним-единственным логическим кубитом. Ничем иным как расточительством такое не назовёшь. Это проблема, решить которою пообещали немецкие, чешские и японские учёные.

Учёные сделали из фотонов «кошку Шрёдингера». Источник изображения: Peter van Loock

Традиционный метод предполагает создание отдельных кубитов — сверхпроводящих, из холодных нейтральных атомов, фотонов или в другом виде — и последующее их запутывание друг с другом. Только запутывание кубитов позволяет запускать на них квантовые алгоритмы и получать результат без ошибок при соблюдении всех необходимых условий. Учёные из университетов Майнца (Германия), Оломоуца (Чехия) и Токио (Япония) предложили элегантное решение, которое реализует три возможности в одном: объединили несколько фотонов в одном коротком световом импульсе с присущей системе врождённой способностью исправлять ошибки.

«Хотя система состоит только из лазерного импульса и, следовательно, очень мала, она может — в принципе — немедленно устранять ошибки. Таким образом, нет необходимости генерировать отдельные фотоны в виде кубитов с помощью многочисленных световых импульсов, а затем заставлять их взаимодействовать как логические кубиты, — заявил профессор Питер ван Лоок (Peter van Loock) из Майнцского университета. — Наш лазерный импульс был преобразован в квантово-оптическое состояние, что даёт нам врожденную способность исправлять ошибки».

Фактически речь идёт о создании импульса из нескольких запутанных фотонов (все они описываются одной волновой функцией). С одной стороны, это всё же пакет элементарных частиц, который можно представить как объединение нескольких физических кубитов в один логический. Но с другой стороны, это достаточно малый объект, если так можно сказать о коротком импульсе, который может рассматриваться как один единственный кубит одновременно физический и логический с функцией коррекции ошибок, что может существенно упростить создание безошибочных универсальных квантовых вычислителей.

Наконец, в отличие от криогенных платформ IBM и Google на сверхпроводящих кубитах, оптические кубиты позволяют работать в условиях комнатной температуры, а это важнейший момент для широкой коммерциализации квантовых платформ.