Квантовые технологии на протяжении последнего года уверенно держат позицию одной из самых обсуждаемых и сложных для понимания тем. Государства, а с ними ведущие мировые игроки в сфере ИТ, финансов, телекома, логистики и фармы вкладывают в развитие технологий миллиарды долларов. Если 30 лет назад квантовый компьютер был предметом из фантастических фильмов, в 2021 году — это общая надежда на следующую после создания интернета цифровую революцию. Специально для «Хайтека» Национальная квантовая лаборатория собрала самые интересные и значимые новости о квантовых технологиях с начала года.
Несмотря на пандемию, разработки в области квантовых вычислений не прекращались: мировые ИТ-гиганты вкладывают огромные средства в создание собственных экосистем в этой сфере, страны продолжают создавать центры разработки собственных квантовых компьютеров — например, в Германии создана квантовая долина, а ученые разрабатывают новые системы, способные ускорить производство новых лекарств или существенно расширить возможности классических вычислительных машин.
Исследования и разработки
Самый быстрый генератор случайных чисел
Случайные числа являются ключевым элементом криптографии и численного моделирования. Команда ученых из Российского квантового центра совместно с коллегами из Оксфордского университета, Голдсмитского колледжа и Свободного университета Берлина сообщает о разработке сверхбыстрого оптического устройства, способного генерировать гарантированно случайную последовательность со скоростью 8,05 Гб в секунду, что делает его самым быстрым генератором случайных чисел на сегодняшний день. Созданные ранее прототипы подобных устройств имели скорость на несколько порядков ниже.
Разработанная технология может лечь в основу производства коммерческих устройств, имеющих широкую область применения. Так, недавно компания Samsung представила мобильный телефон с квантовым генератором случайных чисел, что указывает на востребованность данной технологии на массовом рынке.
Квантовая сеть на основе дронов
Запутанные фотоны ранее успешно переносились на расстояние более тысячи километров между спутником и наземными станциями, но теперь команда ученых из Нанкинского университета показала, что защищенная связь может быть установлена и с помощью достаточно недорогого оборудования.
В поставленном эксперименте квантовая сеть была реализована с помощью двух свободно летающих дронов, находящихся в воздухе на удалении 400 метров друг от друга и на удалении 200 метров от своих наземных станций приема. Всего с учетом высоты полётов дронов канал квантовой связи по воздуху имел общую длину около километра. Наземные станции для приеема фотонов были вооружены телескопами с 26-миллиметровой апертурой и однофотонными приемниками.
Подобное решение позволит в любом месте быстро развертывать защищенные оперативные каналы связи. В дальнейшем команда планирует увеличить размер сети с использованием нескольких дронов, которые смогут передавать зашифрованные сообщения или данные для квантового компьютера на большие расстояния.
Квантовая телепортация
Исследовательская группа, состоящая из представителей американских и канадских университетов и компаний под руководством Панайотиса Спенцуриса (Национальная ускорительная лаборатория Fermi) продемонстрировала устойчивую передачу квантового состояния кубита на расстояние 44 километра.
Квантовая телепортация необходима для многих квантовых информационных применений, включая так называемый квантовый интернет. В опыте Fermilab использовались обычные однофотонные датчики и оптоволоконные телекоммуникационные сети.
Точность передачи квантового состояния в эксперименте составила 90%, что считается предельно высоким значением. В будущих экспериментах ученые собираются установить новый рекорд по дальности телепортации и по числу связанных кубитов за счет модернизации системы, которая планируется ко второму кварталу 2021 года. В перспективе это поможет совершать распределенные квантовые вычисления по типу кластерных, но без узкого места в виде ограничений пропускной способности сети.
Решеточная хирургия
Существующие методы квантовой коррекции ошибок осложнены тем, что для их реализации требуются сотни или даже тысячи связанных друг с другом физических кубитов.
Коллектив Университета Инсбрука под руководством профессора Райнера Блатта впервые сообщил о создании двух одиночных логических кубитов, защищенных от потери квантовой информации, достижении их сцепления и переноса между ними логической информации. Этого удалось добиться в квантовом процессоре на основе ионных ловушек, состоящего всего из десяти физических кубитов, и с помощью так называемой решеточной хирургии. Эта техника позволяет объединять логические кубиты или разделять их на части, проводя определенные логические операции с частью физических кубитов, которые лежат в их основе.
Используемый метод требует значительно меньшее количество операций для создания сцепления кубитов, чем традиционные подходы, а демонстрация таких операций — фундаментальных строительных блоков для квантовых вычислений — является важным шагом к практической реализации отказоустойчивых квантовых вычислений.
Квантовая индустрия
Молекулярные сравнения
Фармацевтика крайне заинтересована в появлении новых технологий создания лекарственных препаратов, в том числе с помощью квантового молекулярного моделирования и скрининга.
Немецкий фармацевтический гигант Boehringer Ingelheim, известный своими разработками в области компьютерного дизайна лекарств и моделирования in silico, объединил усилия с Google в области квантовых вычислений.
А швейцарская фармацевтическая фирма Roche начинает сотрудничество с британской Cambridge Quantum Computing, в рамках которого методы квантовых вычислений будут использованы для поиска новых методов лечения заболеваний.
Ранее сообщалось, что американская биотехнологическая компания Biogen сотрудничает со стартапом 1Qbit в пилотном проекте, нацеленном на ускорение открытия новых лекарств, применяя квантовые компьютеры для молекулярных сравнений. С помощью квантового скрининга большого количества молекул она планирует найти новые эффективные лекарства от таких нейродегенеративных заболеваний, как рассеянный склероз, болезни Альцгеймера и Паркинсона.
Многофазные потоки
Компания Aker BP (крупная независимая компания по разведке и нефтедобыче в Европе — «Хайтек») и CQC создали алгоритм квантового машинного обучения для классификации многофазных потоков.
Многофазные потоки в трубопроводном транспорте требуют достаточно тщательного контроля, отслеживания, анализа и управления. Алгоритм позволяет провести анализ потоков за полиномиальное время и реализован на квантовом процессоре IBM.
Классификатор, протестированный на данных Aker BP, требует всего несколько кубитов, чтобы соответствовать производительности классической машины опорных векторов (SVM) с нелинейными ядрами. Это одно из самых первых применений решений квантового машинного обучения эпохи NISQ в энергетическом секторе.
Детали для BMW
Немецкий автопроизводитель начал эксперимент по оптимизации системы закупок и поставок производственных компонентов с помощью квантового компьютера.
Обычно в рамках производственного цикла автопроизводители рассматривают сотни вариантов поставок от различных вендоров с различным временем доставки и стоимостью деталей. Выбор оптимальной схемы является сложнейшей вычислительной задачей. Первые расчеты BMW планирует провести на компьютере Honeywell H0, а впоследствии перейти на более мощную систему H1. Предполагается, что вычислительное преимущество над классическими вычислительными системами будет достигнуто уже через полтора-два года.
В октябре 2020 года о запуске аналогичного проекта по оптимизации логистической сети объявил другой крупный автопроизводитель — компания Toyota.
Криостат растворения
Пионер в создании криостатов растворения, компания Oxford Instruments NanoScience объявила о партнерстве с Oxford Quantum Circuits, которая первой в мире примет поставку охлаждающей системы нового поколения Proteox Cryofree®.
Низкие температуры необходимы для выявления тонких квантовых эффектов, скрытых шумом тепловых колебаний, однако эффективное охлаждение остается серьезной проблемой во многих реализациях квантовых систем.
Новый криостат растворения от Oxford Instruments обеспечивает высокую стабильность регулировки температуры в диапазоне мК и поддерживает большое количество электрических соединений, что облегчает возможности интеграции квантовых процессоров.
Квантовые компьютеры с ионными ловушками
Стартап IonQ объявил о трехлетнем альянсе с Центром поддержки исследований квантовой информации (Q Center) — независимой организацией, созданной в южнокорейском университете Сунгкюнкван для формирования национальной исследовательской экосистемы в области квантовой информатики.
В рамках сотрудничества будут созданы квантовые компьютеры с ионными ловушками IonQ доступными для исследователей и студентов Южной Кореи. IonQ считает высокотехнологичный южнокорейский рынок важным для экспансии собственных технологий.
Национальная квантовая программа Южной Кореи стартовала в 2019 году и предполагает создание пятикубитного квантового процессора в течение пяти лет.
Национальные квантовые программы
1,8 млрд евро для квантовой отрасли
Франция официально заявила о решении инвестировать 1,8 млрд евро в квантовые технологии. Согласно плану, представленному президентом Франции Эммануэлем Макроном, инвестиции рассчитаны на пять лет. Французское правительство увеличит финансирование квантовой отрасли с нынешних 60 млн евро до 200 млн евро в год. Еще 200 млн евро поступят из Европейского союза и 550 млн евро ожидаются из частного сектора.
Из этих средств:
- около 780 млн евро будет выделено на создание квантового компьютера;
- 250 млн евро выделяется на квантовые датчики;
- 150 млн евро на пост-квантовую криптографию;
- 320 млн евро на квантовую связь;
- 300 млн евро на сопутствующие технологии, такие как криогеника.
Благодаря такому объему инвестиций Франция войдет в число ведущих стран, инвестирующих в квантовые технологии, наряду с США, Китаем, Индией и Германией.
Баварская квантовая инициатива
В Германии будет создана Мюнхенская квантовая долина, на функционирование которой Бавария выделит в общей сложности 300 миллионов евро. В квантовой долине будет функционировать технопарк с хорошо оборудованными чистыми помещениями, системами производства нано- и тонкопленочных материалов, а также опытно-конструкторскими и испытательными лабораториями.
Основными задачами долины станет создание квантовых компьютеров, квантовых симуляторов для поиска новых материалов, исследования в области квантовой метрологии для особо точных измерений электрических или магнитных полей и квантовая криптография.
Заметим, что в Германии уже действует крупнейшая в ЕС национальная программа развития квантовых технологий. В июле 2020 года федеральное правительство объявило о ее продлении на следующие 10 лет с бюджетом 2 млрд евро в дополнение к общей квантовой программе Евросоюза.
Модульный подход
При создании квантовых компьютеров их ключевые компоненты обычно разрабатываются и производятся одной компанией, что достаточно затратно и требует определенного времени. Для ускорения разработки национального квантового компьютера несколько стартапов в Нидерландах договорились использовать модульный подход: независимые компании сосредоточатся на разработке определенных элементов квантового компьютера с тем, чтобы в будущем интегрировать их в единую систему.
Участниками нового консорциума IMPAQT, созданного для этой цели, стали стартапы Orange QS — поставщик интегрированных квантовых систем, Qblox — поставщик стека квантового управления, Delft Circuits — разработчик квантового оборудования для криогенного ввода-вывода и Qu&Co — разработчик квантовых алгоритмов и программного обеспечения.
2021 год начался для мирового квантового сообщества максимально активно: выросли государственные инвестиции в разработки, увеличилось число как индустриальных кейсов, так и международных исследований. С полной версией дайджеста вы можете ознакомиться на сайте Российского квантового центра.
Читайте также:
Физики создали аналог черной дыры и подтвердили теорию Хокинга. К чему это приведет?
Аборты и наука: что будет с детьми, которых родят
Ядерный ракетный двигатель строят для полетов на Марс. Чем он опасен?