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.

Учёные из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) в Южной Корее создали самые эффективные на сегодня солнечные панели на основе квантовых точек. КПД этих солнечных элементов составил 18,1 %. Если сравнивать с кремнием, то это мало, но у последнего за плечами полвека исследований, тогда как квантовые точки начали изучать менее 15 лет назад. Перспективы у новой технологии головокружительные.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Солнечные элементы из кремния взаимодействуют со светом всей поверхностью. Квантовые точки преобразуют свет в поток электронов только там, где они нанесены — точечно, как следует из их названия. Следует помнить, что определение «квантовые» в данном случае относится к количественной величине, а не к качественной. Квантовая точка — это крохотная порция полупроводникового материала, который взаимодействует со светом (с фотонами).

Особенность использования порций — квантов — светочувствительного материала заключается в том, что они могут быть изготовлены разного размера и, следовательно, будут чувствительны каждая к своему спектру. Материал в виде квантовых точек можно наносить на подложку методом струйной печати на рулонах или с помощью разбрызгивания. Это намного проще и дешевле, чем выпускать солнечный элемент из кремния.

Наивысший теоретический КПД у квантовых точек из органических материалов. Также они более безопасны с точки зрения экологии. Но у них есть существенный недостаток — боязнь влажности и нагрева, включая нежелательное длительное нахождение под прямыми солнечными лучами. Учёные из Южной Кореи решали именно эту проблему, попутно пытаясь установить новый рекорд эффективности для солнечных ячеек на квантовых точках.

Если верить исследователям, они смогли повысить сопротивляемость квантовых точек погодным условиям. Для этого учёные воспользовались перовскитом, который уже зарекомендовал себя в фотовольтаике. Но в этот раз они нанесли на подложку массив из перовскитных квантовых точек, а не создали сплошной слой.

Часть диаграммы с достижениями в сфере фотоэлектрических ячейках. Квантовые точки обозначены ромбом. Источник изображения: NREL

Экспериментальные солнечные панели на квантовых точках из перовскита сохраняли эффективный уровень преобразования света в электрический ток в течение 1200 ч при нормальных условиях и 300 ч при нагреве до 80 °C. Уровень КПД достиг рекордного значения в 18,1 %, что зафиксировали в американской лаборатории NREL (выше на рисунке данные уже с указанием рекорда UNIST — это свежее обновление диаграммы). Предыдущий рекорд в 16,6 % КПД был поставлен фотопанелями на квантовых точках в 2020 году австралийским Квинслендским университетом. Идём к новым вершинам. Когда-нибудь кремний уйдёт в прошлое, а на его место придут, в том числе, солнечные панели на квантовых точках.

Американский стартап Normal Computing представил термодинамический компьютер, который для вычислений использует законы классической физики из раздела термодинамики. Матрица с данными банально нагревается, а потом остывает до термодинамического равновесия в системе. После этого результат естественного «вычисления» коэффициентов просто считывается из регистров. Это происходит быстрее, чем расчёты на классических компьютерах и найдёт применение в ИИ.

Термодинамический компьютер в представлении ИИ. Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Основателями компании Normal Computing стали бывшие ведущие разработчики по искусственному интеллекту и квантовым платформам из компаний Google Brain и Alphabet X. Они на своём опыте убедились, что настоящего прорыва в ИИ ещё долго не будет как в сфере классических платформ, так и в области квантовых вычислителей. Термодинамический компьютер был разработан ими как промежуточный и переходной вариант от одних к другим.

«Существует множество различных подходов к вычислениям, но одним из наиболее энергоэффективных и быстрых подходов является использование естественных процессов для выполнения вычислений, то есть физики. В частности, хорошо подходят для вычислений связанных со случайностью термодинамические процессы, в случае вероятностных ИИ и генеративных ИИ», — говорится в одном из документов на сайте компании.

Источник изображений: Normal Computing

Компания разработала прототип термодинамического компьютера для вычисления обратной матрицы и доказала его работу. Также она утверждает, что методика работает для других случаев вычислений в области линейной алгебры.

Прототип представляет собой матрицу из повторяющихся групп элементов — генераторов с колебательным емкостным контуром. Компания называет это блоком стохастической обработки (SPU). Каждый из контуров заряжает конденсатор до необходимого значения, а затем плата приходит в термодинамическое равновесие со средой, в которую её помещают, например, остывает в жидкости. После этого происходит считывание значений в элементах матрицы, которые дают искомый результат в процессе простого остывания элементов.

Блок стохастической обработки (SPU)

«Обещания квантовой технологии не оправдали своей шумихи. Квантовые компьютеры в основном всё еще находятся на академической стадии и пока не принесли коммерческой ценности. Передовые вычисления, а не талант, могут быть ограничивающим фактором того, чтобы выгоды ИИ стали повсеместными. Наша цель — добиться постепенного изменения возможностей и эффективности искусственного интеллекта с помощью нашего нового термодинамического стека», — заявил Патрик Коулз (Patrick Coles), главный научный сотрудник Normal Computing и бывший руководитель отдела квантовых вычислений в Лос-Аламосской национальной лаборатории.

Канадская компания D-Wave сообщила о завершении калибровки квантового компьютера нового поколения с более чем 1200 кубитами — Advantage 2. Тестовые прогоны показали двукратное увеличение времени когерентности кубитов, что ускоряет расчёты, а также правильность выбранной стратегии по уменьшению ошибок в вычислениях. Вскоре прототип компьютера Advantage 2 будет доступен через облачный сервис компании — это будет самая мощная квантовая платформа в мире.

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

Следует подчеркнуть, что слова о мощности той или иной квантовой платформы необходимо воспринимать со здоровым скептицизмом. Во-первых, не существует единой метрики, которая позволила бы сравнивать квантовые платформы, работающие на принципиально разной элементной базе: на холодных нейтральных атомах, сверхпроводящих кубитах, фотонах, спинах элементарных частиц, ионных ловушках и так далее. Во-вторых, квантовая платформа D-Wave заточена для решения задач оптимизации, что не делает её универсальной.

Наконец, квантовый компьютер D-Wave удерживает согласованное (когерентное) состояние кубитов особым образом — переводя их в возбуждённое состояние и ожидая, пока они не успокоятся — не перейдут в состояние с минимальной энергией, что станет ответом на запрограммированную задачу (заданный алгоритм). Поэтому есть смысл сравнивать системы D-Wave предыдущих и новых поколений.

Как утверждают в компании, квантовые компьютеры Advantage 2 значительно превосходят компьютеры Advantage. Например, они в 20 раз быстрее решают задачи по исследованию таких необычных магнетиков, как спиновые стёкла. Это важное семейство сложных для классических компьютеров задач оптимизации. Также система Advantage 2 в два раза быстрее выполняла расчёты при моделировании материалов и демонстрировала значительно меньше ошибок. В сфере решения задач для искусственного интеллекта Advantage 2 в 90 % случаях превосходила своего предшественника, например, отлично решая задачи удовлетворения ограничений.

Всё это стало возможным как за счёт новой топологии сверхпроводящих кубитов, что увеличило количество возможных связей с 15 до 20, так и за счёт удвоения времени когерентности, а также благодаря дальнейшему увеличению масштаба платформы и снижению уровня шумов в новых интегральных схемах. Система из 1200+ кубитов будет доступна через облачный сервис Leap компании.

Для коммерческих поставок компания планирует собирать системы из 7000 кубитов. Они должны быть доступны до конца текущего года, но могут задержаться. Прототип Advantage 2 с 500 кубитами был готов полтора года назад. За прошедшее с тех пор время компания смогла изготовить только 1200-кубитовый прототип, что указывает на сильное отставание от ранее анонсированного графика.

Физики в России впервые использовали отечественный 12-кубитный квантовый компьютер на базе сверхпроводников для проведения расчётов, связанных с нейросетями и машинным обучением, сообщает ТАСС. Платформа показала высокую скорость работы и способность к обучению, что в перспективе найдёт широкое применение.

Одна из ранних версий российского процессора на сверхпроводящих кубитах. Источник изображений: НИТУ МИСИС

«Учёные запустили первый в России 12-кубитный квантовый процессор для квантового машинного обучения на основе сверхпроводников. Сейчас на нём тестируются алгоритмы обучения для квантовой нейросети, которая может определять сорт вина по его химическому составу и диагностировать рак молочной железы», — сказано в пресс-релизе МФТИ.

Разработанный и созданный в МФТИ процессор, очевидно, на трансмониевых сверхпроводящих кубитах, подобно квантовым процессорам IBM и Google, может похвастаться характеристиками мирового уровня — средним временем жизни кубита порядка 14 мкс и средним временем одной квантовой операции на уровне 50 нс. Учёные из МФТИ быстро наращивают число работающих кубитов в своей платформе, за два–три года пройдя путь от двухкубитовых к 12-кубитовым схемам, и планируют в ближайшее время собрать 16-кубитовый вычислитель с прицелом на дальнейший рост.

Важной особенностью новой системы также стал переход на двухмерную компоновку кубитов, тогда как раньше они располагались в одной плоскости, что необходимо для дальнейшего масштабирования платформы.

«Это большой шаг вперед для нашей лаборатории и для всего научного сообщества, занимающегося квантовыми исследованиями в России. Работа демонстрирует не только нашу способность показывать новые результаты на мировом уровне, но обещает и значительный прогресс в практическом применении квантовых технологий, так как мы всегда стремимся тестировать наши устройства на реальных задачах», — добавил профессор МФТИ Олег Астафьев.

Разработка в России квантовых компьютеров на сверхпроводящих кубитах — это только часть обширной программы исследований новых квантовых технологий. Согласно утверждённому плану развития квантовых платформ в стране, предложенному госкорпорацией «Росатом» и принятому к реализации с 2019 года, российские учёные работают также с кубитами на ионах, холодных нейтральных атомах и фотонах в добавок к хорошо изученным за прошедшие годы сверхпроводящим кубитам.

В квантовом мире царит неопределённость, которая в момент нарушается фактом наблюдения (измерения). Достигается это на сложных установках. Можно ожидать, что в нашем обычном мире больших и тяжёлых объектов тоже есть место для квантовой неопределённости, но доказать это прямым наблюдением очень и очень сложно. Однако учёные не сдаются.

Одно из зеркал детектора LIGO. Источник изображения: Caltech/MIT/LIGO Lab

Принцип квантовой неопределённости часто иллюстрируют с помощью мысленного эксперимента с кошкой Шрёдингера (в оригинале это кошка, а не кот), когда до открытия коробки с животным оно ни живо, ни мертво. Это позволяет понять контринтуитивные законы квантовой механики, но это не приближает нас к детектированию квантовых явлений на макроуровне.

Свой вариант натурного эксперимента по фиксации квантовой неопределённости в больших объектах предложили учёные из Университетского колледжа Лондона (UCL), Университета Саутгемптона в Великобритании и Института Бозе в Индии. Для исследования учёные предложили использовать систему гравиметрической обсерватории LIGO в США. Это два тоннеля по 4 км, соединённых под прямым углом (буквой Г). По тоннелям многократно с отражением курсирует луч лазера, который способен фиксировать искажения пространства-времени при прохождении через детектор гравитационной волны. Эту же систему можно использовать для выявления квантовой неопределённости с макрообъектами без строгих ограничений по массе и энергии, считают учёные.

В каждом из тоннелей можно подвесить зеркала на концах маятников (или мишени, заслоняющие основные зеркала датчика) и запускать в них по паре вспышек лазера с заданным интервалом. Если квантовая неопределённость в нашем большом мире есть, то первый импульс нарушит движение маятника — в этом проявится так называемый эффект наблюдателя, а второй импульс зафиксирует отклонение от расчётной траектории.

С математической точки зрения эксперимент должен подтвердить или опровергнуть соблюдение двух условий неравенства Леггетта-Гарга. Оно должно выполняться для всех условий классического мира. Если при взаимодействии с 10-кг зеркалами одно из этих условий не выполнится, значит, объект проявит свойства квантовой неопределённости.

С точки зрения математики это будет означать, что вы в данный момент с большой вероятностью сидите на стуле перед монитором, но также с бесконечно малой (но отнюдь не нулевой) вероятностью можете находиться на Луне, Марсе или в галактике Андромеда. Главное, что для доказательства подобной возможности не придётся рисковать жизнью кошки, хотя сам по себе эксперимент с зеркалами в установке LIGO потребует нетривиального оборудования и условий.

Статья об исследовании опубликована в журнале Physical Review Letters. Также она доступна на сайте arxiv.org.

С 6 января текущего года созданный в Китае квантовый компьютер Origin Wukong на 72 сверхпроводящих кубитах открыт для удалённого доступа из любой страны мира. Им уже воспользовались исследователи из 61 страны, а больше всего пользователей оказалось из США. При этом американские квантовые платформы закрыты для входа из Китая. Это ничего не меняет, сообщают китайские учёные, для науки не должно быть границ.

ИИ-генерация «китайский квантовый компьютер», стиль «аниме». Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

В основе свободного доступа к подобным ресурсам лежит простая вещь — квантовые вычисления лежат на такой ранней стадии изучения, что даже специалисты в этой сфере не очень понимают, что с этим делать. Если для науки, то вопросов нет. Но с точки зрения практического применения квантовые компьютеры — это тёмный лес.

Не секрет, что в области разработки и изучения ценности квантовых систем Китай отстаёт от США. Та же компания IBM начала углубляться в эту область в конце 90-х годов прошлого века. У американских разработчиков 20 лет форы, а это дорогого стоит. Сегодня в активе IBM 433-кубитовые сверхпроводимые процессоры Osprey и перспективные 1121-кубитовые Condor. На этом фоне 72-кубитовый компьютер Wukong китайской компании Origin Quantum выглядит бледно. Но стоит принимать во внимание, что Origin Quantum создана в 2017 году и к настоящему дню проделала гигантский для себя путь.

24-кубитовая система Wuyuan. Источник изображения: Origin Quantum

Свой первый квантовый компьютер на сверхпроводящих кубитах Origin Quantum изготовила и отправила неназванному клиенту в 2020 году. Вторая система — Wuyuan, состоящая из 24 кубитов, была поставлена заказчику в 2021 году. Третья и лучшая на сегодняшний день система компании — Wukong, из 72 кубитов, была поставлена в 2022 или в начале 2023 года. Именно она была введена в эксплуатацию и выделена в облачный доступ.

По сообщению источника, по состоянию на 10:00 утра 15 января 2024 года количество удалённых обращений к Origin Wukong превысило 350 000. Среди тех, кто вошел в систему, были пользователи из Болгарии, Сингапура, Японии, России и Канады, но США лидировали в подсчёте, хотя конкретных цифр не было представлено. С момента ввода в эксплуатацию 6 января машина выполнила 33 871 задачу по квантовым вычислениям для пользователей по всему миру. Одновременно она может выполнять до 200 квантовых операций, добавляют разработчики.

Китайцы поступили мудро, разрешив работать с системой абсолютно без ограничений. Самое ценное в этом мире — это идеи.

Считается, что в обычных световых импульсах напряженность электромагнитного поля меняется со временем по синусоиде. Другие формы поля считались невозможными, пока недавно российские физики не предложили теоретический подход, меняющий правила игры. Открытие позволит формировать световые импульсы треугольной или прямоугольной формы, что привнесёт много нового в работу схем квантовых компьютеров.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Как установили исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета и Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург), изменить форму напряжённости электромагнитного поля в оптическом диапазоне можно с помощью неравномерного распределения плотности в среде, через которую пропускают импульсы сверхкороткой длительности в несколько фемтосекунд. Чем больше форм и разновидностей оптических импульсов получится создавать, тем более точным будет управление кубитами, например, в виде атомов и даже электронов.

Авторы работы теоретически смоделировали прохождение двух последовательных сверхкоротких оптических импульсов через газообразный натрий. Первичные импульсы были классической дугообразной формы, соответствующей половине периода обычной электромагнитной волны. По условиям моделирования импульсы проходили в среде путь длиной 5 мкм. Первый из импульсов передавал возбуждение атомам натрия, запуская их колебания, а второй останавливал их. Этот процесс вызывал отклик электромагнитного поля в виде двух пиков и с этим уже можно работать.

Исследователи предложили таким образом изменить плотность среды, чтобы плотность размещения атомов натрия менялась от малой к большой, затем шло плато, после чего плотность снова снижалась. Таким образом изменение плотности напоминало трапецию. После этого модель стала выдавать импульсы света строго прямоугольной формы. Меняя переход плотности среды на участках подъёма и спада с линейной на параболическую, учёные заставляли импульсы принимать треугольную форму.

Импульсы прямоугольной и треугольной формы. Источник изображения: Ростислав Архипов

«Мы теоретически показали, что, меняя распределение плотности в среде, через которую проходит оптический импульс, можно управлять его формой. Далее предстоит экспериментально проверить наши выводы. В дальнейшем мы планируем исследовать, как оптические импульсы разной формы будут влиять на состояние квантовых систем, которые лежат в основе квантовых компьютеров», — рассказал руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ростислав Архипов, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник физического факультета СПбГУ.

Добавим, работа по исследованию была опубликована в журнале Optics Letters.

Согласованные квантовые состояния боятся любых помех, что усложняет реализацию квантовых компьютеров. Для снижения шумов их охлаждают до запредельно низких температур, но в идеале квантовые системы должны работать при комнатной температуре, без чего невозможно их массовое применение. Возможно, в этом поможет новая работа японских учёных, которые смогли добиться квантовой когерентности в обычных условиях без криогенного охлаждения.

Источник изображения: Science Advances

Физики изучили квантовые свойства таких молекул, как хромофоры. Они могут поглощать электромагнитное излучение определённых длин волн и излучать также в определённом диапазоне. Ранее на базе хромофоров были созданы фотоэлементы для перспективных солнечных панелей, однако в контексте нужд квантовых вычислений или квантовых датчиков они не изучались.

Японские физики поместили молекулы хромофоров в так называемые металл-органические каркасы (MOF). Это микропористый материал, который способен абсорбировать и фактически изолировать друг от друга предельно малые порции вещества. Пары электронов в молекулах хромофоров оказывались в суперпозиции по отношению друг к другу.

Микроволновое зондирование показало, что спины электронов остаются в когерентном состоянии около 100 нс. Дальнейшая настройка систем обещает ещё больше увеличить время квантовой когерентности в представленной платформе, что можно считать прорывом, поскольку всё это получено при обычной комнатной температуре, что очень дёшево и намного доступнее, чем современные квантовые криогенные платформы.

Сверхохлаждённые кубиты могут оставаться в согласованном (когерентном) состоянии квантовой неопределённости вплоть до нескольких миллисекунд. В этом они выгодно отличаются от предложенной японцами схемы. Однако цена вопроса и стоимость эксплуатации криогенных систем также кратно снижает практическую ценность квантовых расчётов и симуляций.

Остаётся надеяться, что японские физики смогут довести свою разработку до уровня квантовых вычислителей или квантовых датчиков. Пока же это только демонстрация возможностей, с которой ещё работать и работать, о чём они сообщили в статье в журнале Science Advances.

Примерно год назад группа китайских учёных опубликовала статью, в которой сообщила о скорой смерти широко используемого метода RSA-шифрования с открытым ключом. На небольшом квантовом компьютере они показали, что взломать RSA можно с использованием меньшего числа кубитов, чем длина ключа. В этом таилась колоссальная угроза безопасности критически важным данным, что нужно было изучить. Всё оказалось не так просто.

Источник изображения: НИТУ МИСИС

Анализом работы китайских коллег занялась группа учёных Университета МИСИС, РКЦ и «Сбера». Считается, что большинство используемых в настоящее время криптосистем с открытым ключом защищены от атак через обычные компьютеры, но могут быть уязвимы для квантовых платформ. Поскольку компания IBM уже представила 433-кубитовый квантовый процессор Osprey, то ключ RSA-2048 теоретически может быть взломан в любой момент. В работе китайских специалистов доказывалось, что для этого хватит 372 кубитов, а не 20 млн, как считалось ранее.

Китайские исследователи использовали 10-кубитную платформу для разложения на простые множители (факторизацию) 48-битового ключа.

«Основываясь на классическом методе факторизации Шнорра, авторы используют квантовое ускорение для решения задачи поиска короткого вектора в решётке (SVP, shortest vector problem) небольшой размерности — что позволило им сделать сенсационное заявление о том, что для факторизации, т.е. разложения большого числа на множители, требуется меньше кубитов, чем его длина, а также квантовые схемы меньшей глубины, чем считалось ранее», — поясняют в пресс-релизе представители НИТУ МИСИС.

Российские исследователи пришли к выводу, что алгоритм коллег нерабочий из-за «подводных камней» в классической части и сложности реализации квантовой.

«Метод Шнорра не имеет точной оценки сложности. Основная трудность заключается не в решении одной кратчайшей векторной задачи, а в правильном подборе и решении множества таких задач. Из этого следует, что этот способ, вероятно, не подходит для чисел RSA таких размеров, которые используются в современной криптографии», — сказал Алексей Федоров, директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» РКЦ.

Предложенный китайскими учёными метод даёт только приближённое решение задачи, которое можно легко получить для небольших чисел и маленьких решёток, но практически невозможно для реальных длинных ключей, что российские учёные подробно объяснили в статье в журнале IEEE Access (ссылка на arxiv.org).

В то же время российские учёные рекомендуют не расслабляться, а готовиться к постквантовой криптографии. Появляются новые платформы и новые алгоритмы, и в один не очень прекрасный день окажется, что надёжные ещё вчера RSA-ключи вдруг перестали защищать ваши данные.

Группа японских и китайских учёных провела серию экспериментов, которые говорят о перспективе переноса квантовых явлений на аккумуляторы. Такие батареи будут работать вне привычной причинно-следственной логики, и обещают превзойти классические химические элементы при накоплении электрической энергии и даже тепла.

Источник изображений: Chen et al. CC-BY-ND

Многим наверняка известно, что при покупке некоторых недорогих аккумуляторов китайского производства логику тоже можно смело отключать. Но учёные из Токийского университета и Пекинского исследовательского центра вычислительных наук по-настоящему заинтересовались возможностью квантовых явлений в аккумуляторах. Интересно, что проблемой занялись специалисты в сфере информационных технологий, а не материаловеды. И немудрено, затронутая проблематика тесно связана с квантовой природой информации или, по крайней мере, в значительной степени её касается.

По мнению учёных, квантовые аккумуляторы могут найти применение в различных портативных устройствах с низким энергопотреблением, особенно когда возможностей для подзарядки недостаточно. На это были нацелены первые опыты, и они увенчались успехом.

Одно из открытых преимуществ квантовых батарей заключается в том, что они должны быть невероятно эффективными, но это зависит от способа их зарядки.

«Современные батареи для маломощных устройств, таких как смартфоны или сенсоры, обычно для накопления заряда используют химические вещества, такие как литий, тогда как квантовая батарея использует микроскопические частицы, такие как массив атомов, — поясняют исследователи. — В то время как химические батареи подчиняются классическим законам физики, микроскопические частицы имеют квантовую природу, поэтому у нас есть шанс изучить способы их использования, которые искажают или даже ломают наши интуитивные представления о том, что происходит в малых масштабах. Нас особенно интересует то, как квантовые частицы могут нарушать одно из наших самых фундаментальных ощущений — восприятие времени».

Учёные провели серию экспериментов со способами зарядки квантовой батареи с использованием оптических устройств, таких как лазеры, линзы и зеркала. Представленная выше схема лабораторной установки была далека от чего-либо, напоминающего привычный аккумулятор. В конечном итоге удалось добиться зарядки батареи способом, который потребовал проявления квантового эффекта вне повседневной логики. Заряд проходил в состоянии квантовой суперпозиции, когда условно два зарядных устройства одновременно заряжали один аккумулятор. В обычной жизни нужно было заряжать аккумулятор сначала одним, затем подключать другое зарядное устройство, а первое отключать. Опыт показал, что с учётом квантовых явлений обе зарядки могут работать одновременно.

Более того, эксперимент подтвердил явную абсурдность процесса. Оказалось, что маломощное зарядное устройство быстрее и эффективнее заряжает аккумулятор, чем более мощное.

Феномен неопределенного причинно-следственного порядка или ICO, который исследовала команда, может найти применение не только для зарядки нового поколения маломощных устройств. Лежащие в их основе принципы, включая раскрытый здесь эффект обратного взаимодействия, могут улучшить выполнение других задач, связанных с термодинамикой или процессами, которые включают передачу тепла. Одним из многообещающих примеров являются солнечные панели, где тепловые эффекты могут снизить их эффективность, но вместо этого можно использовать ICO, чтобы смягчить этот негативный эффект и привести к повышению эффективности.

Физики из Университета Регенсбурга нашли способ манипулировать квантовым состоянием отдельных электронов с помощью микроскопа с атомным разрешением. Результаты исследования опубликованы в известном журнале Nature. Потенциально это будет иметь огромное значение для квантовых вычислений.

Художественная иллюстрация интеграции электронного спинового резонанса в атомно-силовую микроскопию. Источник изображения: Eugenio Vázquez

Как известно, мир вокруг нас состоит из молекул. Молекулы настолько крошечны, что даже пылинка содержит их бесчисленное множество. Тем удивительнее, что в настоящее время появилась возможность с высокой точностью изучать не только молекулы, но даже атомы из которых они состоят с помощью микроскопа. Новейшее изобретение физиков получило название «атомно-силовой микроскоп». В отличие от оптического микроскопа, атомно-силовой работает на других принципах: работа его основана на чувствительности мельчайших сил между наконечником устройства и исследуемой молекулой. При таком подходе к исследованию можно получить «изображение» внутренней структуры молекулы. Тем не менее, наблюдая таким образом за молекулой, нельзя с уверенностью утверждать, что способ позволяет узнать все её свойства. Например, сейчас очень сложно определить, из каких атомов состоит молекула.

К счастью, существуют и другие инструменты, позволяющие определить состав молекул. Один из таких способов — электронный спиновый резонанс, который основан на тех же принципах, что и магнитно-резонансный томограф в медицине. Однако при электронном спиновом резонансе для получения сигнала, достаточно мощного для обнаружения, обычно требуется бесчисленное количество молекул. Таким образом, нельзя получить доступ к свойствам каждой молекулы, а только к их среднему значению.

Исследователи из Университета Регенсбурга под руководством профессора доктора Яши Реппа (Jascha Repp) из Института экспериментальной и прикладной физики теперь интегрировали электронный спиновый резонанс в атомно-силовую микроскопию. Следует особо отметить, что электронный спиновый резонанс регистрируется непосредственно с помощью наконечника микроскопа, так что сигнал исходит только от одной отдельной молекулы. Таким образом, учёные могут характеризовать отдельные молекулы. Это позволило сразу определить, из каких атомов состоит молекула, которую они исследуют. «Мы даже смогли различить молекулы, которые отличаются не типом атомов, из которых они состоят, а только их изотопами, то есть составом ядер атомов, — добавляет Лисанн Селлиес (Lisanne Sellies), первый автор этого исследования.

«Однако ещё больше нас заинтриговала другая возможность, которую несёт в себе электронный спиновый резонанс, — объясняет профессор Репп. — Эта техника может быть использована для управления спин-квантовым состоянием электронов, присутствующих в молекуле». На рисунке это показано маленькими цветными стрелками. Но почему это интересно?

Квантовые компьютеры хранят и обрабатывают информацию, которая закодирована в квантовом состоянии. Чтобы произвести вычисления, квантовым компьютерам необходимо манипулировать квантовым состоянием, не теряя информацию в результате так называемой декогеренции. Здесь стоит отметить, что декогеренция — это процесс нарушения, собственно, когерентности (связи между двумя квантово запутанными частицами), вызываемый взаимодействием квантово-механической системы с окружающей средой посредством необратимого с точки зрения термодинамики процесса.

Исследователи из Регенсбурга показали, что с помощью своей новой техники они могут управлять квантовым состоянием спина в одной молекуле много раз, прежде чем это состояние распадётся. Поскольку метод микроскопии позволяет получить изображение отдельных окрестностей молекулы, новая методика может помочь понять, как декогеренция в квантовом компьютере зависит от атомного окружения, и — в конечном итоге — как её избежать. А это путь к более простым, а главное к более точным квантовым вычислениям.