Новые квантовые компьютеры

В начале прошлого года Китай вслед за США и Канадой наладил собственное серийное производство квантовых компьютеров. Технологию разработала компания Origin Quantum, которая пару лет назад представила 6-кубитный сверхпроводящий процессор KF C6-130. Сейчас команда работает над более мощным, 64-кубитным компьютером «Вукун», а также создала операционную систему и пакет программ, необходимых для работы квантовых алгоритмов, в том числе предусмотрела доступ к платформе через облачные сервисы.

Свой новый квантовый компьютер представила в 2023-м Intel. Процессор Tunnel Falls на 12 кубитов разработан для квантовых исследований. В нем используются кремниевые спиновые кубиты, которые лучше других совмещаются с передовыми транзисторами. Они могут стать платформой для масштабирования квантовых вычислений, но пока использование процессора все еще требует подключения отдельных чипов к печатной плате и понижения температуры почти до абсолютного нуля градусов.

Появился новый квантовый компьютер и в России. Его разработала команда ученых из Российского квантового центра и физического института им. И. П. Лебедева РАН при координации госкорпорации «Росатом». Они создали несколько вариантов процессоров на 16 кубитов, и наилучшую производительность показал ионный. На них и решили сосредоточиться ученые. До конца 2024 года они планируют увеличить число кубитов в отечественных вычислительных машинах до 50-100.

Выполняя свое прошлогоднее обещание, IBM представила два новых квантовых процессора: Condor и Heron. Первый может похвастаться рекордно большим числом кубитов — 1121 штук. Это первый в мире квантовый процессор общего назначения, оперирующий таким количеством кубитов. Второй оперирует всего 133 кубитами, зато отличается рекордно низкой частотой возникновения ошибок — в три раза меньше, чем у предыдущего квантового процессора IBM.

Квантовое превосходство

В 2019 году Google сообщила о достижении так называемого квантового превосходства — способности решать задачи, недоступные обычным компьютерам. Однако это известие было встречено конкурентами с недоверием и критикой. На этот раз компания решила развеять всяческие сомнения, проведя серию новых убедительных экспериментов. Квантовый процессор Sycamore на 70 кубитов смог за 6,5 секунд выполнить расчеты, которые потребовали бы от самого мощного классического суперкомпьютера планеты — экзафлопсного Frontier — 47 лет вычислений. Разница в скорости составила 220 млн раз.

Команда ведущего специалиста КНР по квантовым вычислениям Пань Цзяньвэя сообщала в прошлом году о достижении квантового превосходства дважды. В первый раз фотонный квантовый компьютер «Цзючжан» справился с задачами, которые обычно используются в моделях ИИ, в 180 млн раз быстрее, чем смог бы самый мощный суперкомпьютер. Во второй раз та же машина решила сверхсложную математическую задачу за миллионную долю секунды. Самому быстрому современному суперкомпьютеру — американскому Frontier — на ее решение потребовалось бы 20 млрд лет.  

Перспективные разработки

Частные случаи проблем и препятствий на пути к реализации практически полезных квантовых компьютеров были разрешены в 2023 году специалистами разных стран. Например, австралийские инженеры нашли способ уменьшить количество компонентов в кремниевых квантовых компьютеров. А команда ученых из Англии первой продемонстрировала возможность переноса квантовых битов между микрочипами квантовых компьютеров без нарушения их квантовой природы, причем сделала эту сразу с рекордной скоростью и точностью.

Обычно кубиты очень капризные и не терпят малейших помех и температур выше -273 градусов Цельсия. Американский стартап SEEQC представил свой вариант решения этой проблемы — цифровой чип, способный выдерживать криогенные температуры. Такая технология позволит упростить создание более мощных квантовых компьютеров, поскольку каждая криогенная камера сможет поддерживать большее количество кубитов.

Для того чтобы повысить воспроизводимость, стабильность и открыть путь к массовому производству, международная команда исследователей уменьшила размер источника квантового света в чипе в тысячу раз.

Квантовым компьютерам, как и классическим, необходимо как-то записывать и сохранять информацию, но пока оптимальное решение этой задачи не найдено. Команда ученых из США изобрела новый метод эффективного перевода электрических квантовых состояний в звук и наоборот. Новый метод не зависит от свойств материалов, и поэтому совместим с уже имеющимися квантовыми устройствами, основанными на микроволнах.

Новый тип экспериментального квантового компьютера показали в прошлом году ученые Австрии и США. В нем для моделирования комплексных физических систем используются фермионные атомы. Фермионные квантовые вычисления особенно полезны для моделирования свойств систем, состоящих из множества взаимодействующих фермионов: электронов в молекуле или в материале или кварков внутри протона. Таким образом, он может применяться в разных областях, от квантовой химии до физики частиц.

Крупного прорыва добились специалисты из Гарвардского университета, работавшие в программе ONISQ («Оптимизация с шумными квантовыми устройствами среднего масштаба») Министерства обороны США. Они разработали первую в мире квантовую схему с логическими кубитами, менее подверженными ошибкам. «Переносные логические кубиты Ридберга с динамической реконфигурацией открывают совершенно новые концепции и парадигмы для разработки и создания квантовых вычислительных процессоров», — заявил Макунд Венгалатторе, руководитель программы ONISQ. Пока у ученых 48 соединенных логических кубитов. Для практического применения нужно намного больше.  

Другое

Законы странного квантового мира могут применяться не только для создания вычислительных машин. Они позволяют передавать на расстояния информацию и даже энергию. Минувший год стал свидетелем открытий и в этих областях.

Для эффективной передачи данных в квантовой сети на большие расстояния все фотоны должны двигаться по волоконно-оптическому каналу без потерь, что пока недостижимо. Однако ученые из Германии впервые сгенерировали фотоны со стабильными частотами из источника квантового света. Они использовали особым образом оптимизированные наноразмерные алмазы с дефектами. Это позволило значительно снизить помехи, которые нарушают передачу данных. Как именно — покажут дальнейшее исследования.

Квантовая коммуникация может достигать высочайших уровней безопасности, однако на больших расстояниях работает пока с помехами. Тем не менее, группе ученых из Китая удалось добиться весомого результата — они с успехом применили протокол полей-близнецов (TF-QKD) на рекордно большом расстоянии в 1002 км со скоростью 0,0034 бит/с. Это значит, что защищенная связь теперь может быть установлена на большем расстоянии, чем позволяли традиционные протоколы квантового распределения ключей.

«Мы докладываем о первой реализации и наблюдении телепортации квантовой энергии на реальном квантовом оборудовании», — сообщил в начале года Кадзуки Икеда из Университета Стоуни-Брук (США). Впервые такую идею, основанную на феномене квантовой запутанности, выдвинули физики в начале прошлого века. Измерение одной части квантовой системы с неизбежностью наделяет ее энергией. В квантовом мире эта энергия может быть получена без промежуточного движения энергии через пространство. Она просто переносится. Икеда провел этот эксперимент на квантовом компьютере IBM и получил результаты, согласующиеся с теорией Хотта. Пока расстояние телепортации незначительное, но в будущем его можно будет увеличить до десятков километров.