Ажиотаж вокруг искусственного интеллекта продолжает разгораться, немного отодвинув на задний план многие другие технологии. Но это не значит, что разработки в этих сферах полностью прекратились.

Хотели бы мы или нет, но кроме эры искусственного интеллекта неумолимо приближается и эра квантовых технологий. Квантовые компьютеры должны преодолеть ограничения ныне существующих классических систем и предложить решения задач, которые невозможно выполнить с помощью современных вычислительных мощностей. Сегодня мы расскажем о последних достижениях в области квантовых технологий и препятствиях, с которыми сталкиваются инженеры на пути к созданию полноценных квантовых компьютеров.

IBM, Google и IonQ в борьбе за лидерство

IBM

В 2023 году на Quantum Summit компания IBM представила несколько новинок, в число которых вошли квантовые процессоры Condor и Heron с 1121 и 133 кубитами соответственно. Процессор Heron мощнее своего предшественника Eagle, у которого было всего 127 кубитов. Также он показал себя в 3-5 раз эффективнее в подавлении ошибок и минимизации квантового шума. Помимо увеличенного количества кубитов и улучшенных возможностей снижения ошибок, Heron также оснащен настраиваемыми соединителями. Эта функция позволяет более точно контролировать взаимодействие кубитов, тем самым уменьшая квантовый шум и перекрестные помехи между кубитами. Так кубиты будут меньше влиять на своих соседей, что еще больше повысит общую точность квантовых операций. Преимущество Heron заключается также в его модульности, что позволяет объединять несколько чипов для увеличения общей мощности квантовой обработки. IBM также представила систему Quantum System Two, состоящую из трех чипов Heron, которая предназначена для одновременного выполнения нескольких задач, что является важной функцией для квантовых супервычислений. Quantum System Two уже функционирует в лаборатории IBM в Йорктаун-Хайтс (штат Нью-Йорк, США).

В процессоре Condor с 1121 кубитом IBM удалось увеличить плотность кубитов на 50% и повысить производительность самого чипа. Компания также отметила масштабность инфраструктуры, необходимой для поддержки Condor, — более 1,6 км криогенных высокоплотных кабелей, чтобы поддерживать низкую температуру, которая нужна для работы кубитов. В IBM также отмечают, что несмотря на большое количество кубитов, производительность Condor может сравниться с Osprey — предыдущим квантовым процессором компании, у которого было 433 кубита. Однако создание Condor считается важным шагом в сфере инноваций, поскольку успехи Condor могут повлиять на проектирование оборудования в будущем и поспособствовать появлению новых поколений мощных квантовых процессоров. В октябре 2023 года калифорнийский квантовый стартап Atom Computing также объявил, что создал первый в мире квантовый компьютер с 1180 кубитами. Это было значительным шагом вперед по сравнению с предыдущим рекордом, прежде чем IBM объявила о выпуске Condor.

Кроме этого, IBM выпустила обновленную версию своей «дорожной карты» квантового развития, рассчитанную до 2033 года, в которой изложено стратегическое и долгосрочное видение развития технологии квантовых вычислений. Центральное место в обновленной «дорожной карте» занимает разработка квантовых процессоров с увеличением количества кубитов и расширенными вычислительными возможностями. В «дорожной карте» также подчеркивается необходимость разработки компьютерной архитектуры, которая позволит соединить квантовые и классические вычислительные ресурсы и использовать сильные стороны сразу обеих технологий.

Google

В 2023 году исследователи из Google Quantum AI совершили важный прорыв в области квантовой коррекции ошибок. Команда показала, что уровень вычислительных ошибок можно снизить, увеличив количество кубитов, используемых для квантовой коррекции ошибок. Этот результат является важным шагом на пути к созданию отказоустойчивых квантовых компьютеров. Еще одно важное событие в мире квантовых вычислений произошло в августе прошлого года, когда компания Google сообщила, что собирается принять меры к повышению безопасности Google Chrome и внедрить поддержку квантово-устойчивого шифрования для защиты от потенциальных квантовых кибератак. Современная киберзащита во многом строится на невозможности перебрать все варианты и подобрать какое-то большое число. Для моделей компьютеров, представленных на рынке сегодня, это займет слишком много времени, но квантовый компьютер за секунды справится с вычислениями, для которых сейчас требуются десятилетия.

В Google также заявили, что готовятся к переходу на квантово-устойчивую криптографию. Компания принимает участие в обновлении технических стандартов, а также тестировании и внедрении новых квантово-устойчивых алгоритмов. До начала широкого использования квантовых компьютеров среди хакеров, вероятно, пройдет еще много лет, но, если не принимать эти риски всерьез, велика вероятность, что появление квантовых компьютеров и квантовых кибератак поставит под угрозу само существование интернета.

IonQ

На Quantum World Congress компания IonQ анонсировала две новые системы под названием Forte Enterprise и Tempo, предназначенные для установки в стойку и развертывания в традиционном центре обработки данных. Следует отметить, что развертывание квантовых компьютеров в центрах обработки данных пока еще мало кому приходило в голову. Два стоечных решения IonQ предназначены для предприятий и правительств, желающих интегрировать квантовые возможности в существующую инфраструктуру. Они смогут использовать мощь квантовых технологий непосредственно из своих собственных центров обработки данных, что сделает технологию значительно более доступной и простой в применении к ключевым рабочим и бизнес-процессам. Спорное решение, особенно учитывая тот факт, что квантовые компьютеры сейчас не готовы к использованию в производственных средах. Они по-прежнему слишком подвержены ошибкам, часто сложны в обслуживании и обычно количество кубитов недостаточно велико для выполнения практических приложений. Многие полагают, что потребуется около 10 лет, чтобы создать отказоустойчивые машины довольно большого размера, чтобы их можно было использовать в промышленных целях. Тем не менее, за компьютерами IonQ, производство которых началось на заводе в пригороде Сиэтла Ботелле в прошлом году, в очередь уже выстроились компании Hyundai Motor Company, Airbus, GE Research и другие. Две системы хотят приобрести военные, а еще 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.

Китай включается в гонку за квантовое превосходство

Китай стал третьей страной после Канады и США, наладившей собственное серийное производство квантовых компьютеров. Первой такой машиной стал 24-кубитный компьютер Wuyuan, основанный на технологии сверхпроводящих чипов. Система под названием WY-SC24-100 работает на базе процессора Kuafu KF-C24-100. Производителем первого серийного квантового компьютера в Китае стала компания Origin Quantum, основанная в 2017 году ведущими квантовыми физиками из Университета науки и техники Китая (USTC) Го Гопином и Го Гуанканом. Уже в 2020 году компания представила свой первый сверхпроводящий квантовый компьютер, который работал на 6-кубитном сверхпроводящем квантовом процессоре KF C6-130. Сейчас Origin Quantum работает над более мощным 64-кубитным квантовым компьютером Wukong.

Компьютер использует сверхпроводящие кубиты, хотя в портфеле разработчика есть также процессоры на спиновых (полупроводниковых) кубитах. Origin Quantum создала операционную систему и пакет программ, необходимых для работы квантовых алгоритмов, в том числе предусмотрела доступ к платформе через облачные сервисы. Примечательно, что при всех достижениях предприятие, по словам руководства, несет серьезные убытки. И эта ситуация вряд ли изменится за ближайшие 10 лет. На исследования уходит от 15 до 30 млн. долларов ежегодно, а доходов пока почти нет.

Молодые и перспективные

Но на фоне разработок, которые ведут компании с мировым именем, стабильно растут инвестиции и в стартапы, работающие в области квантовых вычислений. И венчурное финансирование имеет важное значение, поскольку тема квантовых вычислений постепенно переходит из университетских исследовательских лабораторий в сторону коммерческого внедрения. Например, BMW подписала соглашение с французским стартапом Pasqal на использование его квантовых процессоров для моделирования сложных материалов, а Министерство обороны Великобритании приобрело первый правительственный квантовый компьютер у британского поставщика Orca Computing. Так что, хоть такие компании, как IBM и Google добились ощутимого успеха, невозможно предсказать, какая компания или технология продолжит доминировать в квантовых вычислениях. Ни одна компания не может претендовать на лидерство в области квантовых технологий, поскольку мы находимся еще только в начале пути, когда производители и инвесторы только приступают к отсеиванию плохих идей.

Silicon Quantum Computing

Программа Silicon Quantum Computing была запущена в 2017 году Австралийским исследовательским советом в Центре передового опыта в области квантовых вычислений и коммуникационных технологий Австралии. Сегодня компания сосредоточена на разработке полнофункционального квантового компьютера, построенного на кремнии, и в июне прошлого года стала первой компанией, разработавшей интегральную схему, производимую в атомном масштабе и которая работает как аналоговый квантовый процессор. Команда SQC успешно использовала этот квантовый процессор для точного моделирования квантового поведения небольшой органической молекулы полимера — полиацетилена. В настоящее время инженеры компании масштабируют технологию для решения задач по моделированию более сложных молекул.

Atom Computing

Компания Atom Computing, базирующаяся в Калифорнии (США), была основана в 2018 году с целью создания безошибочных масштабируемых квантовых компьютеров. И компании удалось первой создать квантовый компьютер с более чем 100 кубитами на базе нейтральных атомов, а не ионов. В 2021 году стартап создал архитектуру в виде 10х10 атомов, а в новой системе задействована решетка вида 35х35, в результате чего потенциальное количество атомов возросло до 1225. Кубиты помещены в специальный короб с габаритами 3,6х1,5 м, в котором также располагаются лазеры, необходимая оптика и вакуумная система. Тогда как период когерентности других типов кубитов составляет доли секунды, нейтральные атомы, по заявлениям Atom Computing, способны сохранять состояние до 40 секунд. А это открывает новые возможности в плане организации квантовых вычислений. Кроме того, можно обнаруживать ошибки, не нарушая работу других кубитов, а также исправлять их в реальном времени. Система использует состояние ядерного спина атомов Стронция-87 для представления состояний нуля и единицы для кубита.

IQM Quantum Computers

Компания IQM Quantum Computers была основана в 2018 году на базе Университета Аалто и Центр технических исследований Финляндии (VTT Technical Research Centre of Finland). В начале этого года компания объявила о запуске облачной платформы Resonance, призванной ускорить исследования в области квантовых вычислений. Сервис предоставляет разработчикам и ученым доступ к системам IQM для планирования, тестирования и оценки эффективности квантовых алгоритмов. Посредством Resonance обеспечивается доступ к квантовым компьютерам, расположенным в дата-центрах IQM в Эспоо (Финляндия) и Мюнхене (Германия). При этом пользователи могут работать с различными топологиями квантовых процессоров (QPU). На сегодняшний день через облачную платформу доступны 6-кубитный квантовый компьютер IQM Deneb и 20-кубитная система IQM Garnet. Помимо облачного сервиса, компания IQM предлагает локальные квантовые компьютеры. В частности, на днях Юлихский суперкомпьютерный центр в Германии (JSC) объявил о приобретении у IQM 5-кубитной системы Spark, ввести которую в эксплуатацию планируется в июле текущего года. Кроме того, компания IQM заявила о планах создания квантового компьютера Radiance на 150 кубитов, который будет запущен в I квартале 2025 года. IQM развернула локальные квантовые системы в Суперкомпьютерном центре Лейбница в Германии (LRZ) и в Центре технических исследований VTT в Финляндии.

Oxford Quantum Circuits

Компания Oxford Quantum Circuits была создана на базе физического факультета Оксфордского университета в 2017 году доктором Иланой Висби (Ilana Wisby). Компания запатентовала трехмерную архитектуру процессора под названием Coaxmon, которая более масштабируема, чем 2D-предложения. А в прошлом году Oxford Quantum Circuits объявила о запуске Toshiko — 32-кубитной платформы квантовых вычислений. Кроме того, Oxford Quantum Circuits предлагает квантовые вычисления как услугу (QCaaS) через коммерческие и общедоступные облачные платформы. Получить доступ к 8-кубитной машине Lucy можно через квантовую облачную платформу Amazon Braket. В число клиентов компании входит компания Cambridge Quantum, которая запускает на машине собственную платформу кибербезопасности IronBridge, извлекающую идеальную сертифицированную энтропию из квантовых компьютеров для генерации не поддающихся взлому криптографических ключей.

Исследования в сфере квантовых вычислений

Протокол запутывания микроволновых и оптических фотонов

В мае 2023 года профессор физики Института науки и технологий Австрии Йоханнес Финк (Johannes Fink) и его коллеги продемонстрировали протокол запутывания микроволновых и оптических фотонов. Это важно, поскольку сверхпроводящие схемы, из которых состоят многие современные квантовые компьютеры, работают на микроволновых частотах, а оптоволокно и другое оборудование, используемое для передачи информации на большие расстояния, — на оптических. Если мы хотим построить сеть из множества квантовых компьютеров и заставить их общаться друг с другом, нам понадобятся прочные и надежные квантовые соединения между этими двумя частотами. Теперь, когда Финк и его команда показали, что такие соединения возможны, перспективы квантовых сетей на основе сверхпроводящих кубитов выглядят более радужными, хотя протокол все еще нуждается в доработке.

Первый программируемый логический квантовый процессор

В квантовых вычислениях квантовый бит, или кубит — это одна единица информации, точно так же, как двоичный бит в классических вычислениях. На протяжении более двух десятилетий физики и инженеры показывали миру, что квантовые вычисления в принципе возможны путем манипулирования квантовыми частицами — будь то атомы, ионы или фотоны — для создания физических кубитов. Но успешно использовать странности квантовой механики для вычислений сложнее, чем просто накопить достаточно большое количество кубитов, которые, по своей природе, нестабильны и склонны выходить из своих квантовых состояний. По-настоящему важны так называемые логические кубиты, которые могут хранить информацию для использования в квантовом алгоритме. Физический кубит — это то, что реально существует в мире, например, электрон или атом. Логический кубит — это идея, которую используют для объяснения того, как работают квантовые компьютеры. Он не существует в реальности, это просто способ говорить о том, как физические кубиты работают вместе. И основная сложность заключается в том, чтобы создать надежный способ объединения физических кубитов для их совместной работы. Создание логических кубитов было фундаментальным препятствием для этой области, и общепринято, что до тех пор, пока квантовые компьютеры не смогут надежно работать на логических кубитах, технология не сможет по-настоящему развиваться. Но команде из Гарварда под руководством профессора физики Михаила Лукина удалось создать первый программируемый логический квантовый процессор, способный кодировать до 48 логических кубитов и выполнять сотни вычислительных операций.

Быстрая и надежная передача информации между квантовыми процессорами

Одна из проблем, с которой сейчас сталкиваются исследователи, — быстрая и надежная передача квантовой информации между чипами. Однако команда Университета Сассекса добилась прорыва и в этой области. Их исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, демонстрирует систему, способную передавать информацию между чипами с беспрецедентной надежностью 99,999993% и с рекордной скоростью. Этот прорыв подтверждает, что возможность соединить чипы для создания более мощных квантовых компьютеров вполне реальна.

Главные вызовы квантовых вычислений

Проблема 1: квантовая декогеренция

Фундаментальная проблема квантовых вычислений — это квантовая декогеренция. Кубит может существовать в суперпозиции состояний, в отличие от классических битов, которые могут находиться только в одном из двух состояний (0 или 1). Эта суперпозиция позволяет квантовым компьютерам выполнять сложные вычисления быстрее, чем классические компьютеры. Поддерживать состояние когерентности, ту самую суперпозицию, также сложно, как заставить карандаш балансировать на острие. В идеале при отсутствии ветра и вибрации идеально сбалансированный карандаш должен оставаться в вертикальном положении. Это похоже на кубит в квантовом состоянии. Однако в реальном мире любой порыв ветра или малейшая вибрация могут привести к падению карандаша. Это похоже на квантовую декогерентность, когда малейшее возмущение окружающей среды может привести к потере кубитом своего хрупкого состояния суперпозиции.

Декогеренция проблематична, поскольку приводит к ошибкам квантовых вычислений. Поскольку время когерентности кубита относительно короткое, квантовые вычисления должны быть завершены в течение этого периода времени, прежде чем произойдет декогеренция. Увеличение времени когерентности кубитов — важная область исследований, но это лишь один из компонентов преодоления квантовой декогеренции в целом. Исследования сверхпроводящих кубитов могут привести к созданию квантовых технологий, которые лучше контролируют и улучшают квантовую когерентность. Исследователи также рассматривают возможность использования различных материалов и конструкций для кубитов с более длительным временем когерентности. Параллельно развиваются подходы, направленные на обнаружение и исправление ошибок, вызванных декогеренцией, до того, как они смогут повлиять на вычисления. Однако исправление ошибок само по себе представляет собой проблему.

Проблема 2: квантовая коррекция ошибки

Квантовая коррекция ошибки (Quantum error correction — QEC) — очень важное направление развития квантовых вычислений. Точность квантовых вычислений должна быть порядка 99,9999999999999% — тогда можно гарантировать корректность вычислений. Но сегодня точность плавает в диапазоне от 90 до 99%. С такими низкими параметрами процент ошибок будет высоким, и с этим нужно что-то делать.

Вообще, ошибки в квантовых системах могут возникать по разным причинам. Например, из-за взаимодействия с окружающей средой, дефектов в оборудовании или несовершенства используемых алгоритмов. Эти ошибки могут привести к искажению или потере информации. Для борьбы с ошибками используются различные методы квантовой коррекции ошибок, которые повышают надежность квантовых систем. Хотя исследования в этой области ведутся давно и существуют алгоритмы квантовой коррекции ошибок (например, алгоритм Шора, опубликованный в 1995 году, и код Стина, появившийся в 1996 году), достичь стабильной точности вычислений на уровне 99,9999999999999% еще только предстоит.

Проблема 3: масштабируемость

По мере увеличения количества кубитов в квантовом компьютере растет и его вычислительная мощность. Но масштабировать квантовые компьютеры сложно — не получится просто добавить на чип больше транзисторов, как в случае с классическим компьютерным чипом. В квантовом компьютере каждый кубит должен взаимодействовать с каждым другим кубитом, чтобы максимизировать вычислительную мощность. По мере увеличения количества кубитов становится все сложнее это сделать, так как увеличивается вероятность ошибок. Ошибки могут быть вызваны чем угодно — от воздействия окружающей среды до несовершенства самих кубитов. Исследования новых типов кубитов могут привести к созданию квантовых компьютеров, которые будут более устойчивы к ошибкам, что позволит создавать все более сложные квантовые процессоры.

Статья подготовлена по материалам сайтов trends.rbc.ru, ibm.com/quantum, quantumai.google, ionq.com, originqc.com.cn, techmonitor.ai и других сетевых источников.