Национальная квантовая лаборатория ежемесячно размещает дайджест топ-публикаций об исследованиях и открытиях в области квантовых технологий. Выпуск от июля 2023 года посвящен следующим темам:
— Впервые в рамках Петербургского международного экономического форума состоялась сессия по квантовым технологиям — «Технологии будущего: когда надо — уже поздно». Дискуссия предварила крупнейшее событие в области новых технологий в России — Форум будущих технологий, который прошёл с 9 по 14 июля 2023 года в Москве.
— Наблюдательный совет Национальной квантовой программы США (NQI) дал независимую оценку результатов, достигнутых за 5 лет. По мнению членов совета развитие квантовых технологий имеет важное значение для экономической и национальной безопасности страны, а программа NQI способствовала значительному прогрессу в этом направлении. При этом остаётся много нерешённых задач, которые не позволили пока добиться существенной экономической отдачи в отрасли. Совет рекомендовал продлить NQI на следующие 5 лет и осуществить ряд новых мероприятий, направленных на поддержку фундаментальных исследований, развитие образовательных программ, привлечение зарубежных учёных, установление индустриальных партнёрств и развитие производственной базы.
— Развитие квантовой информатики обычно связывают с прогрессом в физике и компьютерных науках. Подготовленный Национальной академий наук США доклад рассматривает наиболее перспективные направления на стыке квантовой информатики и химии.
— Победителем ежегодного конкурса разработчиков перспективных систем вооружений (ARAP) стал предложенный Army Research Office проект CLassical quantum hybrid constructs to Advance Weapons Systems (CLAWS). Бюджет 3-х летнего проекта составит 45 млн долл. Его целью является разработка квантовых систем визуализации, позиционирования и навигации для высокоточных кинетических боеприпасов.
— Китайская государственная телекоммуникационная компания China Telecom инвестировала 3 млрд юаней (434 млн долл.) в создание дочерней компании для развития и продвижения технологий квантовой связи. На сегодняшний день Китай является мировым лидером в этом направлении. При участии China Telecom в стране прияты 5 соответствующих национальных стандартов, организованы кабельные квантовые сети, а также мобильная сеть 5G с квантовым шифрованием, пользователями которой уже стали более 500 тыс. человек.
— Правительство Дании инвестирует 1 млрд крон (93,6 млн долл.) в квантовые технологии. Средства будут выделены в течении 5 лет, при этом финансирование на 2023 г. предусмотрено в размере 212 млн крон. В рамках программы будут поддержаны как прикладные разработки, так и фундаментальные исследования и образовательные программы. В прошлом году в Дании стартовал 12-летний проект по созданию сверхпроводникового кватового процессора с бюджетом 200 млн долл. и 4-летний проект по созданию фотонного процессора с бюджетом 3 млн долларов.
— Первый 12-кубитный кремниевый процессор Intel Tunnel Falls. 12 спиновых кубитов расположены в ряд, размер каждого из них составляет 50 × 50 нм. Квантовые чипы изготавливаются с помощью стандартных полупроводниковых технологий на 300 мм пластинах и предназначены для работы при температуре 1,7 К. В отличие от конкурентов, Intel не планирует организовывать облачный доступ к своим процессорам, а предоставит их для экспериментов партнёрским организациям. Сообщается, что компания уже разрабатывает квантовый чип следующего поколения, который будет выпущен в 2024 году. Он, вероятно, будет интегрирован с криогенным управляющим модулем HorseRidge, а кубиты в нём будут расположены в виде двухмерной решётки, что увеличит количество связей между ними.
— Microsoft последовательно реализует концепцию квантовых вычислений с использованием кубитов на базе квазичастиц Майораны. В прошлом году компания впервые смогла экспериментально продемонстрировать такие частицы. Следующими шагами должны стать изготовление на их основе кубитов, затем — многокубитных систем и, наконец, полностью защищённой от ошибок вычислительной системы. Компания придумала новую метрику для будущих квантовых процессоров: «количество надёжных квантовых операций в секунду» (rQOPS). Первоначальной целью будет достижение rQOPS = 1 млн при ошибке логических операций не более 10-12. Финальной же целью является rQOPS = 1 млрд при ошибке 10-18.
— SandboxAQ выделилась из Google год назад для разработки решений в области кибербезопасности, фармацевтики и квантовой сенсорики. На эти цели компании удалось привлечь инвестиции в размере 500 млн долл. В июне SandboxAQ объявила о заключении контрактов с Управлением информационных систем Минобороны США (DISA) по разработке прототипа квантово-устойчивой криптографической системы для государственных организаций, а также с биофармацевтическими гигантами Sanofi и AstraZeneca по созданию квантовой платформы для предсказательного моделирования новых лекарств.
— Нидерландский стартап QuantWare предлагает к продаже 25-кубитный сверхпроводниковый чип Contralto с настраиваемой по желанию заказчика конфигурацией. Для того, чтобы создать полноценный квантовый компьютер, он должен быть доукомплектован управляющей электроникой и криогенной системой. Стартап договорился о партнёрстве с израильской компанией Quantum Machines — разработчиком криогенных управляющих модулей и программного обеспечения для совместного выпуска полноценной и полностью готовой к работе вычислительной системы.
— Испанская энергетическая группа Iberdrola входит в десятку крупнейших энергокомпаний мира и является мировым лидером в области возобновляемой энергетики. В сотрудничестве со стартапом Multiverse компания намерена изучить возможности квантовых алгоритмов для управления децентрализованными энергосетями со сложным режимом генерации и потребления. В частности, в рамках первого 10-месячного проекта должна быть решена вычислительно сложная задача расчёта оптимального количества и расположения накопителей энергии в системах солнечной и ветроэнергетики.
— Акселерометры являются частью инерционных навигационных устройств альтернативе современной GPS. Устройство, разработанное компанией Infleqtion и Университетом Колорадо, использует алгоритмы машинного обучения для расчета ускорения на основе анализа изображений одномерного массива атомов рубидия, помещенных в узлы магнитооптической решётки. В отличие от аналогичных устройств, сенсор имеет компактный форм-фактор. Он может быть масштабирован и настроен для достижения более высокой чувствительности. Другим его достоинством является устойчивость к вибрации, что облегчает практическое применение.
— В прошлом году Quantinuum открыла облачный сервис доступа к квантовому генератору случайных чисел. Новый продукт — Quantum Origin Onboard позволяет избежать необходимости обращаться к сервису каждый раз, когда случайное число потребуется для генерации ключа шифрования. Случайное число передается единственный раз на подключённое устройство и затем смешивается со случайной информацией, сгенерированной встроенным программным модулем для каждого нового ключа. Решение не требует изменений в аппаратуре пользователя и легко интегрируется с ядром Linux или модулем OpenSSL.
— IBM усовершенствовала технологию подавления ошибок.
— На примере решения задачи по моделированию поведения магнитного материала, учёные IBM продемонстрировали работу своей новой технологии подавления ошибок. В ходе эксперимента были проведены точные измерения шума в каждом из 127 кубитов процессора Eagle. Оказалось, что они следуют относительно предсказуемым закономерностям, определяемым позицией кубита внутри устройства и другими факторами. Зная их, можно установить, какими были бы измерения в отсутствие помех. Результаты подтвердили верность выбранной компанией краткосрочной стратегии, нацеленной на уменьшение ошибок, а не на их исправление. Однако в долгосрочной перспективе IBM надеется перейти и к исправлению ошибок методу, который потребует большого количества дополнительных кубитов для каждого кубита с данными.
— QuTech разработала быстрый и стабильный прототип Андреевского кубита, который является гибридной системой, сформированной из спинового кубита, помещенного в ближнюю зону Джозефсоновского контакта, и сочетает в себе достоинства как спиновой платформы (малый размер кубита), так и сверхпроводниковой платформы (легкость масштабирования и управления). Исследователи из нидерландской QuTech реализовали Андреевский кубит в эксперименте и доказали возможность эффективного управления спином, используя микроволновой сигнал. Учёные отметили быструю скорость считывания и управления состоянием спина, что обеспечивается высоким значением частоты Раби, которая превысила 200 МГц.
— В Белой книге, подготовленной сотрудниками бостонского стартапа QuEra, в числе основателей которого российско-американский физик Михаил Лукин, а в числе инвесторов — предприниматель и венчурный инвестор Сергей Белоусов, приводится детальное описание архитектуры и принципов работы 256-кубитного процессора Aquila. Обсуждаются сильные и слабые стороны нейтрально-атомной платформы, а также особенности реализации в ней квантовых вычислительных алгоритмов.
— Новый способ охлаждения уменьшает шумы в квантовых процессорах. Даже при очень низких температурах, достижимых в современных криостатах растворения, в квантовых системах остаются остаточные механизмы декогеренции, связанные, в частности, с шумами на атомарных дефектах диэлектриков. Исследователи из Великобритании, Швеции и США предложили помещать квантовые схемы в сверхтекучий гелий-3, который не влияет на работу сверхпроводящей схемы, но в 1000 раз улучшает отвод избытка тепла по сравнению с криогенным вакуумом. Это значительно снижает квантовые шумы и повышает стабильность работы кубитов.
— Оценены ресурсы для взлома 256-битных эллиптических криптосистем. Недавно компания PsiQuantum доложила о многократном улучшении времени выполнения некоторых алгоритмов в фотонном процессоре за счёт увеличения связности кубитов и более эффективного использования неактивного вычислительного объема. В частности, оценка скорости взлома 2048-битного кода шифрования RSA с помощью квантового алгоритма Шора была улучшена в 50 раз по сравнению с ранними расчётами. В новой работе PsiQuantum оценивается вероятность взлома 256-битного ключа шифрования в криптосистеме на эллиптических кривых, к которым относятся в том числе отечественные шифры электронной цифровой подписи и алгоритмы блочного шифрования. Согласно расчётам, модульный фотонный процессор с 7 млн физических кубитов справится с такой задачей всего за 10 минут.
— Учёные IonQ совместно с физиками и психологами из Калифорнийского университета в Беркли и Лондонского университета провели аналогию между состояниями квантовой суперпозиции и запутанности и определёнными особенностями когнитивных процессов человека. Исследователи предложили квантовую реализацию поведенческих моделей в состоянии неопределённости. По их мнению, в дальнейшем можно будет таким образом построить улучшенные модели принятия решений, имитирующих человеческое сознание. Например, для предсказания результатов выборов, раскрытия неосознанных предубеждений или создания таргетированных рекламных объявлений.
— Компания IonQ договорилась об установке двух своих систем в швейцарском центре Quantum Basel и о создании на его базе «Кантового инновационного центра для стран Европы, Ближнего Востока и Африки (EMEA)». Это соглашение помогло IonQ удвоить бронирование своих квантовых систем по сравнению с прошлым годом, доведя его до 45–55 млн долл. Также компания открыла облачный доступ к новому 32-кубитному процессору Forte. В отличие от предыдущей модели Aria в нём используется единственный сканирующий лазерный пучок для управления всеми ионными кубитами. Благодаря этому удалось улучшить характеристики системы: согласно принятым в компании метрикам, количество алгоритмических кубитов (AQ) увеличено c 25 до 29.
— Ученые из Швеции и Австрии с использованием квантового СКВИД магнетометра, смогли измерять сверхмалые колебания левитирующей микросферы массой 700 нг, удерживаемой в магнитной ловушке. Таким образом ими был реализован сверхчувствительный сенсор малых сил и ускорений. Учёные надеются, что в будущем этот сенсор может быть полезен для поисков тёмной материи, которая, как полагают, составляет 85% массы вселенной и с помощью гравитационных сил чрезвычайно слабо взаимодействует с обычной материей.
— В Калифорнийском университете в Беркли создан источник одиночных фотонов «по требованию», представляющий собой единичный дефект, включающий два атома углерода в кремниевом фотоном кристалле (так называемый G-центр). Оптический резонатор, которым является кремниевая полость, обеспечивает более чем 30-кратное увеличение люминесценции излучающего центра, а сама структура была изготовлена с помощью стандартных КМОП технологий. Исследователи полагают, что разработанная ими простая технология интегрированного источника квантового света найдет широкое применение в устройствах кремниевой фотоники.
— Новый рекорд дальности передачи квантового ключа от компании Terra Quantum. Спустя два месяца после аналогичного достижения китайских учёных, швейцарский стартап смог передать квантовый ключ на расстояние 1032 км. При этом, в отличие от китайского эксперимента, квантовый сигнал передавался через самое обычное оптоволокно, а скорость передачи удалось увеличить в 10 тыс. раз до 34 бит/с. В основе новой технологии — использование полуклассических многофотонных импульсов достаточной интенсивности, что дало возможность применить промежуточные эрбиевые волоконные усилители, расположенные на расстоянии 50 км друг от друга.
Подробнее читайте в дайджесте Национальной квантовой лаборатории по
ссылке.
