Давно известно, что космические лучи способны вызывать ошибки в работе квантовых компьютеров, исправлять которые кратно сложнее, чем в случае классических вычислительных систем. Учёные из Китая доказали прямую связь между лучами из космоса и сбоями в кубитах, предложив способ их компенсации. Самое интересное, что тот же метод можно использовать для изучения космических лучей и даже для поиска таинственной тёмной материи.

Источник изображения: Nature Communications 2025

Кубиты или квантовые биты отличаются высокой чувствительностью к любым физическим воздействиям — от вибраций до магнитных полей. Прилетающие из космоса частицы и даже гамма-излучение земного происхождения также способны влиять на квантовые состояния кубитов. Для оценки воздействия двух последних явлений учёные из Пекинской академии квантовой информатики в сотрудничестве с коллегами из профильных институтов создали установку, в которой совместили 63-кубитовый сверхпроводящий квантовый процессор и датчики мюонов и гамма-лучей.

Датчики были расположены прямо под процессором, что позволило связать попадание частиц в процессор и состояние кубитов. В ходе опытов выяснилось, что примерно раз в 67 секунд кубиты реагировали на мюоны (продукт распада высокоэнергичных космических частиц в атмосфере Земли) и гораздо чаще — на гамма-излучение (фотоны соответствующих частот). В общей сложности 81,6 % всплесков квазичастиц в кубитах были вызваны гамма-излучением, а оставшиеся 18,4 % — мюонами.

Следует пояснить, что учёные следили за так называемой зарядовой чётностью кубитов (charge-parity states). Частицы извне разрывали куперовские пары электронов в сверхпроводящем материале кубита, превращая отдельные электроны в квазичастицы. Это вело к изменению чётности заряда в кубите. Точнее, в кубитах возникал всплеск появления квазичастиц в ответ на пролетевшие мюоны или гамма-фотоны, который фиксировали приборы. Это позволило найти чёткую связь между попаданием в квантовый процессор энергичной частицы и сбоем кубита.

Обшивка криогенной камеры с процессором и датчиками свинцом снизила влияние гамма-фотонов на сбои кубитов, но мюоны это никак не задержало. По-хорошему квантовые компьютеры придётся прятать глубоко под землю, чтобы добиться отказоустойчивых квантовых вычислений, что не сделает эту технологию массовой.

С другой стороны, обнаруженная связь между сбоями кубитов и частицами из космоса поможет создать алгоритмы для коррекции таких ошибок. В крайнем случае, датчики мюонов могут просто отключать сбойные участки квантового процессора. Это усложнит квантовые системы, но позволит работать, не зарываясь под землю.

Схема эксперимента

Исследование подняло важный вопрос, который ставит под сомнение перспективы отказоустойчивых квантовых компьютеров на гипотетических фермионах Майораны. Тем более, что в компании Microsoft утверждают, что у них есть прототип процессора на этих частицах. Вернее, процессор Majorana 1 оперирует квазичастицами, имитирующими поведение фермионов Майораны. Китайские учёные показали связь между космическими частицами и нестабильностью квазичастиц, что требует более пристального внимания к процессору Microsoft и, в целом, к перспективам фермионов Майораны в качестве основы для кубитов. А ведь это главные кандидаты на отказоустойчивые квантовые компьютеры!

Важным следствием установки связи между космическими частицами и кубитами стало то, что созданные китайцами установки могут стать детекторами неизвестных физике частиц, включая поиск тёмной материи. Но это будет уже другая история.

Издаваемый Национальной академией наук США (NAS) престижный рецензируемый журнал Proceedings of the National Academy of Sciences присудил ежегодно учреждаемую премию Cozzarelli Award группе математиков во главе с исследователем из США Кеном Оно (Ken Ono) из Университета Вирджинии. Кен с коллегами нашли прямую связь между простыми числами — основой RSA-ключей — и уравнениями 1800-летней давности, что стало прорывом в области защиты данных.

Источник изображения: ИИ-генерация Grok 3/3DNews

Открытие поможет защитить данные в эпоху квантовых компьютеров, которые скоро начнут угрожать RSA-шифрованию. Сегодня даже самые мощные классические суперкомпьютеры не способны за разумное время факторизовать достаточно большие целые числа — разложить их на простые множители для вычисления ключей шифрования. Потенциально с такой задачей начнут справляться только квантовые компьютеры за счёт явления суперпозиции, когда информация в каждом кубите будет представлена одновременно множеством состояний от 0 до 1, а не одним или другим фиксированным значением.

Таким образом, учёным надо научиться находить всё большие простые числа (сейчас самое большое найденное простое число состоит из 41 млн цифр), а также искать иные подходы для определения таковых. Проделанная коллективом Кена Оно работа из таких — они нашли неизвестную ранее взаимосвязь между так называемыми диофантовыми уравнениями и простыми числами.

Открытие диофантовых уравнений приписывают математику III века Диофанту Александрийскому. Они могут быть невероятно сложными, но если полученный ответ окажется верным, это означает, что число будет простым. По сути, это новый способ исследования простых чисел, который никогда ранее не использовался.

«Простые числа, составляющие основу мультипликативной теории чисел, являются решениями бесконечно многих специальных “диофантовых уравнений” в хорошо изученных статистических разбиениях, — пишут авторы. — Другими словами, целочисленные разбиения позволяют находить простые числа бесконечно многими естественными способами».

Проделанная учёными работа могла быть сделана 20, 30 и 80 лет назад, когда стала понятна важность шифрования данных, и в любом случае она бы произвела фурор среди специалистов. Удивительно, до сих пор её никто не делал, подчёркивают авторы исследования и добавляют, что теперь открывается возможность подключить к анализу простых чисел ряд статистических методов. Тем самым RSA-шифрование может получить второе дыхание и ещё окажет сопротивление квантовым компьютерам через пять, десять или больше лет.

В Японии запущен крупнейший в мире квантовый компьютер на сверхпроводящих кубитах. Систему разработали и изготовили компания Fujitsu и институт RIKEN. Над разработкой квантовых вычислителей они работают вместе с 2012 года. В марте 2023 года партнёры представили первый в Японии национальный 64-кубитный квантовый компьютер и обещали увеличить число кубитов до 100 в 2025 году, но превзошли сами себя и собрали систему на 256 кубитах — крупнейшую в мире.

Источник изображения: Roselyne Min/Euronews

Японские инженеры смогли достичь рекордных показателей благодаря новой архитектуре сверхпроводящих квантовых процессоров. Во-первых, они сделали её микрокластерной, организовав кубиты в ячейки по четыре штуки в каждой. Во-вторых, ячейки выстроили не только в ряд, но также в виде многоэтажной или трёхмерной структуры, не забыв при этом решить проблемы теплоотвода.

Возросшая плотность размещения кубитов позволила поместить 256-кубитный процессор в корпус прежнего 64-кубитного. Тем самым появился задел для дальнейшего масштабирования квантовых сверхпроводящих процессоров, что специалистами в этой сфере расценивается как наиболее сложная задача при создании имеющего практическую ценность универсального и устойчивого к ошибкам квантового компьютера.

Нелишне напомнить, что большинство научных работ доказывают, что имеющий практическую ценность отказоустойчивый квантовый компьютер может быть создан, начиная с платформы с миллионом физических кубитов. Японские исследователи считают, что новая кластерная и трёхмерная архитектура доказывает возможность приблизиться к заветному рубежу в миллион кубитов в пределах разумных объёмов помещений под квантовые системы.

Отдельно подчёркивается, что 256-кубитный компьютер Fujitsu и RIKEN достиг той же высочайшей плотности размещения сигнальных и управляющих кабелей, необходимых для работы с кубитами — чтения, программирования и коррекции ошибок, что и квантовые системы Google и IBM. Типичный квантовый компьютер на сверхпроводящих кубитах выглядит как люстра с массой входных и выходных кабелей с высокочастотными разъёмами.

Это всё потому, что для работы со сверхпроводящими кубитами для неразрушающего чтения требуются микроволновые (радиочастотные) сигналы. Добавим к этому тщательное экранирование каждого сигнального провода и получаем жгуты кабелей, затрудняющие масштабирование. Выходом может стать перенос контролирующей электроники внутрь криогенной камеры к кубитам, но такое охлаждение полупроводники пока не выдерживают. Это всё в будущем. А пока создаются гибридные платформы, в которых обычные суперкомпьютеры управляют кубитами. Европа, кстати, как отмечает источник, отстаёт от США и Японии в вопросе высокоплотного монтажа интерфейсов для сверхпроводящих квантовых вычислителей.

Добавим, 256-кубитный компьютер Fujitsu и RIKEN доступен клиентам через облако во всём мире. Впрочем, доступ, вероятно, ограничен узким кругом клиентов, имена которых держатся в тайне. В любом случае, пока идёт проверка идей и поиск задач, которые квантовые вычислители могут решать на современном уровне своего развития. В новом году Fujitsu и RIKEN обещают представить 1000-кубитовую платформу, что станет новым шагом вперёд к мечте — к универсальному отказоустойчивому квантовому вычислителю, в ряде задач в миллиарды раз превосходящему классические компьютеры.

Китайский стартап QuantumCTek из Хэфэя представил универсальный блок контроля и управления сверхпроводящими кубитами. Полностью разработанный в Китае модуль способен управлять 1000 кубитов. Его можно использовать с любой сверхпроводящей квантовой платформой. Система может быть расширена до управления 5000 кубитами, а после значительной модернизации — до 10 000 кубитов.

Источник изображения: QuantumCTek

За плечами инженеров и учёных QuantumCTek разработка и производство блоков управления для ряда национальных квантовых платформ. В частности, на её первой системе был создан квантовый компьютер Zuchongzhi 3.0 («Дзучунчжи-3»), который, согласно предыдущим заявлениям, не уступает передовой квантовой системе Google Willow со 105 сверхпроводящими кубитами. Представленный 16 июня 2025 года блок управления ez-QREngine 2.0 позволит на порядок расшить соответствующую квантовую архитектуру.

Блок ez-QREngine 2.0 обеспечивает точную генерацию сигналов, сбор данных и управление квантовыми чипами. Утверждается, что это самый компактный и эффективный продукт такого рода в Китае. Также он более чем в два раза дешевле аналогичных блоков иностранного производства, что делает Китай независимым от импорта в сфере квантовых вычислительных платформ.

Для увеличения числа управляемых кубитов разработчик использовал схему прямой радиочастотной выборки и реализовал масштабную тактовую синхронизацию, что позволило снизить уровень шума и повысить согласованность и точность управления.

Новая система была официально представлена нескольким исследовательским и промышленным учреждениям, включая Университет науки и технологий Китая и China Telecom Quantum Group. Исследовательская группа планирует сделать её доступной для ряда организаций, предоставив возможность управления более чем 5000 кубитами. По данным компании, это знаменует собой значительный шаг вперёд в усилиях Китая по разработке крупномасштабных сверхпроводящих квантовых компьютеров с исправлением ошибок.

По словам Ван Чжэхуэя (Wang Zhehui), заместителя директора Исследовательского центра квантовых вычислений в Аньхое, который также возглавляет исследовательскую группу QuantumCTek, система ez-QREngine 2.0 была протестирована на рекордном для страны 504-кубитном сверхпроводящем квантовом компьютере, где её стабильность и точность были полностью подтверждены.

Ван добавил, что команда работает над созданием новой системы управления, предназначенной для 10 000-кубитных систем с поддержкой коррекции ошибок. «Цель состоит в том, чтобы сосредоточиться на ключевых технологиях для обеспечения превосходства квантовых вычислений, коррекции квантовых ошибок и практического применения квантовых систем — что ещё больше укрепит независимую экосистему квантовой индустрии Китая», — отметил он.

Поездка генерального директора Nvidia Дженсена Хуанга (Jensen Huang) в Европу сопровождалась не только выступлением на конференции VivaTech 2025, но и раздачей интервью. В одном из них он провозгласил текущее десятилетие периодом роботов и автономных машин, а на самом мероприятии неожиданно заявил о прогрессе в разработке квантовых компьютеров.

Источник изображения: Nvidia

Стоит напомнить, что ещё в январе текущего года он же утверждал, что практически применимые квантовые компьютеры появятся лишь несколько десятилетий спустя. Минуло от силы пять месяцев, а глава и основатель Nvidia уже считает, что разработка квантовых компьютеров близится к переломному моменту, а сами они быстро становятся более мощными, производительными и стабильными. Уже в ближайшие несколько лет, по словам Хуанга, это позволит привлечь квантовые компьютеры к решению очень интересных задач по всему миру.

Сама Nvidia тоже готовится к этому моменту, адаптируя вычислительные системы на основе Grace Blackwell 200 к работе с алгоритмами, присущими квантовым компьютерам. В сфере ИИ подобные гибридные системы позволят добиться существенного прогресса, по мнению основателя компании. «Как и в случае с законом Мура, я готов рассчитывать на увеличение количества логических кубитов в десять раз каждые пять лет, и увеличение количества логических кубитов в 100 раз каждые десять лет», — сформулировал свой прогноз основатель Nvidia.

На полях конференции VivaTech Дженсен Хуанг также успел пообщаться с представителями CNBC, сделав сделав ещё одно важное заявление: «Текущее десятилетие станет эпохой автономного транспорта, роботов и автономных машин в целом». Не секрет, что сама Nvidia уже многие годы стремится расширить своё присутствие в сфере промышленной автоматизации, робототехники и автомобильной электроники. Это кропотливая работа, приносящая финансовую отдачу лишь в долгосрочной перспективе, однако у компании хватает терпения год за годом создавать новые решения для этих отраслей. Тем более что её облачная вычислительная инфраструктура способна ускорить решение всех перечисленных задач.

Аппаратные и программные компоненты для систем автопилота Nvidia находят всё более широкое применение в транспортных средствах, испытываемых и предлагаемых на рынках США и Китая, а вот Европа в этом отношении пока отстаёт. Великобритания, тем не менее, со следующего года разрешит эксплуатацию беспилотных автомобилей на своих дорогах. Uber и Wayve начнут их испытания в регионе уже весной 2026 года.

Компания IBM обновила план по созданию первого в мире отказоустойчивого квантового компьютера для решения практических задач. Система получила имя Starling (англ. — скворец). Она будет оперировать 200 логическими кубитами. Ввод в строй намечен на 2029 год. Научного барьера для создания этой системы больше нет, теперь предстоит решать обычные инженерные задачи.

Художественное представление квантовой системы IBM «Скворец». Источник изображения: IBM

В настоящий момент готовых аппаратных решений для построения системы Starling нет. Компания IBM будет двигаться к ней поэтапно. Система будет развернута в новом квантовом центре обработки данных IBM в Покипси, штат Нью-Йорк. Ожидается, что она будет выполнять в 20 000 раз больше операций, чем современные квантовые компьютеры. Для моделирования квантовых вычислительных состояний IBM Starling потребовалась бы память, превышающая квиндециллион байт (10⁴⁸), что далеко выходит за пределы возможностей самых мощных суперкомпьютеров в мире.

«IBM прокладывает путь к следующему рубежу в области квантовых вычислений, — заявил Арвинд Кришна (Arvind Krishna), председатель совета директоров и генеральный директор IBM. — Наш опыт в области математики, физики и инженерии открывает путь к созданию крупномасштабного отказоустойчивого квантового компьютера, который решит реальные проблемы и откроет огромные возможности для бизнеса».

Крупномасштабный отказоустойчивый квантовый компьютер с сотнями или тысячами логических кубитов может выполнять от сотен миллионов до миллиардов операций, что ускорит и удешевит процессы в таких областях, как разработка лекарств, поиск материалов, химия и оптимизация. Система «Скворец» сможет выполнять 100 млн квантовых операций с использованием 200 логических кубитов. Это станет основой для следующей системы — «Голубая сойка» (Blue Jay), которая будет способна выполнять 1 млрд квантовых операций с использованием 2000 логических кубитов. «Сойка» появится в 2033 году как развитие «Скворца». Если она станет реальностью, то с традиционным шифрованием, похоже, придётся прощаться навсегда.

Следует напомнить, что для решения проблемы отказоустойчивости на каждый логический кубит, участвующий в вычислениях, должно приходиться 1 млн физических (аппаратных) кубитов. Об этом говорят базовые работы по квантовым вычислениям. За последние несколько лет эти требования были заметно смягчены, но компания IBM пока не готова сообщить, сколько физических кубитов будет задействовано для каждого логического кубита. Тем не менее, это предполагает крайне сложную архитектуру процессоров, чтобы квантовый компьютер в итоге поместился в вычислительный зал, а не занял площадь пары-тройки футбольных полей.

В IBM заявили, что они создали перспективную архитектуру, которая будет способна проводить квантовые расчёты с запутыванием такого огромного числа физических кубитов. В основе архитектуры лежит предложенный компанией код. Без сомнения, успех реализации эффективной отказоустойчивой архитектуры зависит от выбора кода для исправления ошибок, а также от того, как спроектирована и построена система, позволяющая масштабировать этот код.

Само собой, этот код должен быть привязан к архитектуре, что заставит IBM действовать в достаточно жёстких рамках. Основные требования к архитектуре — это устойчивость к сбоям, что позволит подавлять достаточное количество ошибок для успешной работы полезных алгоритмов; способность подготавливать и измерять логические кубиты с помощью вычислений; применимость универсальных инструкций к логическим кубитам; способность декодировать измерения логических кубитов в режиме реального времени и изменять последующие инструкции; модульность для масштабирования до сотен или тысяч логических кубитов для запуска более сложных алгоритмов; а также достаточная эффективность для выполнения значимых алгоритмов с использованием реальных физических ресурсов, таких как энергия и инфраструктура.

В двух новых технических документах компания IBM рассказала, как это будет выглядеть. Во-первых, она представила код qLDPC — квантовые коды с низкой плотностью проверок чётности (по аналогии с классическими LDPC). Этот код значительно сокращает количество физических кубитов, необходимых для исправления ошибок, и уменьшает требуемые накладные расходы примерно на 90 % по сравнению с другими перспективными кодами. Кроме того, в нём описаны ресурсы, необходимые для надёжного запуска крупномасштабных квантовых программ, что доказывает эффективность такой архитектуры по сравнению с другими.

Во второй статье компания рассказала, как эффективно декодировать информацию с физических кубитов, и предложила способ выявления и исправления ошибок в реальном времени с помощью обычных вычислительных ресурсов.

В реальности это будет выглядеть следующим образом. В конце 2025 года IBM представит процессорный модуль Loon (англ. — гагара). Модуль предназначен для тестирования компонентов архитектуры кода qLDPC, включая «C-соединители», которые соединяют кубиты на больших расстояниях внутри одного чипа. Об усложнении архитектуры и связей внутри многослойного чипа даёт представление изображение выше, где сравниваются современный квантовый процессор IBM Heron и Loon.

В 2026 году компания представит первый модульный процессор Kookaburra (кукабара), предназначенный для хранения и обработки закодированной информации. Он объединит квантовую память с логическими операциями и станет базовым строительным блоком для масштабирования отказоустойчивых систем за пределы одного чипа.

В 2027 году IBM выпустит процессорный модуль Cockatoo (какаду). Он объединит два модуля Kookaburra с помощью «L-образных соединений». Эта архитектура позволит связывать квантовые чипы, как узлы в более крупной системе, без необходимости создавать непрактично большие чипы. Система «Скворец» будет построена на объединении модулей «Какаду» в единую платформу. Платформа предполагает криогенное охлаждение базовых компонентов примерно до 4 кельвина (-269,15 °C). Для интеграции с обычными вычислительными средствами связующую электронику также придётся охлаждать до таких температур. Впрочем, система не будет размещаться вся в холодильнике, только вычислительные узлы.

Компания IBM сделала заявку, способную перевернуть мир вычислений. Насколько она сможет воплотить это в жизнь — пока открытый вопрос.

Исследование Google показало, что 2048-битный ключ шифрования RSA — современный стандарт для онлайн-безопасности — может быть взломан за несколько дней квантовым компьютером с менее чем миллионом кубитов. Это открытие резко снизило требования к конфигурации квантового компьютера по сравнению с прежними оценками, которые всего несколько лет назад предполагали необходимость как минимум 20 миллионов кубитов.

Источник изображения: Quantware

Квантовый компьютер с миллионом кубитов пока представляется скорее фантастикой, нежели реальностью. Однако темпы прогресса в этой области требуют уже сейчас начать переход к мерам безопасности, устойчивым к квантовым технологиям. Исследование, проведённое для Google Крейгом Гидни (Craig Gidney) подробно описывает будущие атаки с применением квантовых компьютеров и призывает мировое ИТ-сообщество уже сейчас готовиться к постквантовому миру.

Выводы Гидни являются результатом достижений как в квантовых алгоритмах, так и в методах исправления ошибок. С тех пор как Питер Шор в 1994 году открыл, что квантовые компьютеры могут факторизовать большие числа гораздо эффективнее классических компьютеров, учёные стремились точно определить, какая конфигурация квантового оборудования потребуется для взлома реального шифрования.

Источник изображений: IBM

Последняя работа Гидни основана на недавних алгоритмических прорывах, таких как использование приближенного модульного возведения в степень, которое значительно сокращает количество требуемых логических кубитов. Исследование также включает более плотную модель для хранения кубитов с исправленными ошибками, используя такие методы, как «коды с ярмовой поверхностью» (yoked surface codes) и «выращивание магического состояния» (magic state cultivation) для сокращения требуемых ресурсов.

Гипотетическая машина, располагающая миллионом кубитов, для взлома 2048-битных ключей шифрования RSA должна будет работать непрерывно в течение пяти дней, поддерживать чрезвычайно низкий уровень ошибок и координировать миллиарды логических операций без перерыва. Современные квантовые компьютеры работают только с сотнями или тысячами кубитов, что намного меньше отметки в миллион кубитов. Например, IBM Condor и Google Sycamore с 1121 и 53 кубитами соответственно иллюстрируют текущие возможности квантовых вычислений.

Компания D-Wave недавно представила самый мощный в мире квантовый компьютер — систему Advantage2 с более чем 4400 кубитами. Как и все предыдущие системы D-Wave (за исключением компьютеров первых поколений), Advantage2 будет доступна только через облако. Поставки физических систем клиентам начнутся позже — с платформ, насчитывающих не менее 7000 кубитов, время которых ещё не пришло.

Источник изображения: Dwave

20 мая компания NVIDIA объявила об открытии Глобального центра исследований и разработок для бизнеса в области искусственного интеллекта на базе квантовых технологий (Global Research and Development Center for Business by Quantum-AI Technology, G-QuAT). На этой площадке размещена система ABCI-Q — крупнейший в мире исследовательский суперкомпьютер, предназначенный для квантовых исследований. Система интегрирована с тремя квантовыми компьютерами.

Крупные компании, разрабатывающие квантовое оборудование, планируют масштабировать свои компьютеры до уровня миллиона кубитов в течение следующего десятилетия. IBM в партнёрстве с Токийским и Чикагским университетами собираются построить квантовый компьютер на 100 000 кубитов к 2033 году. Компания Quantinuum заявила о цели по созданию полностью отказоустойчивого универсального квантового компьютера Apollo к концу 2020-х годов.

Последствия появления следующего поколения квантовых компьютеров для информационной безопасности крайне болезненны. RSA и аналогичные криптографические системы лежат в основе большей части защищённых коммуникаций в мире, от банковского дела до цифровых подписей. Результаты исследования Гидни подтверждают срочность перехода на постквантовую криптографию (PQC) — новые стандарты, разработанные для противостояния атакам квантовых компьютеров. В прошлом году Национальный институт стандартов и технологий США опубликовал алгоритмы PQC и рекомендовал поэтапно отказаться от уязвимых систем после 2030 года.

Новые стандарты должны стать важным элементом криптографической защиты данных. Предыдущие стандарты криптографии NIST, разработанные в 1970-х годах, используются практически во всех устройствах, включая интернет-маршрутизаторы, телефоны и ноутбуки. Руководитель группы криптографии NIST Лили Чен (Lily Chen) уверена в необходимости массовой миграции с RSA на новые методы шифрования: «Сегодня криптография с открытым ключом используется везде и во всех устройствах, наша задача — заменить протокол в каждом устройстве, что нелегко».

Поэтому эксперты по безопасности в различных отраслях призывают серьёзно относиться к угрозе, исходящей от квантовых компьютеров. Новые схемы шифрования основаны на понимании сильных и слабых сторон квантовых вычислений, так как квантовые компьютеры превосходят классические лишь в достаточно узком спектре задач. К квантово-устойчивым криптографическим методам относятся:

• Решётчатая криптография основана на геометрической задаче о кратчайшем векторе, которая требует найти точку, ближайшую к началу координат, что невероятно сложно сделать при большом количестве измерений.
• Изогональная криптография использует для шифрования эллиптические кривые, что обещает высокую устойчивость к дешифровке.
• Криптография на основе кода с возможностью исправления ошибок опирается на сложность восстановления структуры кода из сообщений, содержащих случайные ошибки.
• Криптография с открытым ключом на основе хеш-дерева позиционируется как развитие идей RSA.

Источник изображения: unsplash.com

Исследование Гидни подчёркивает важность упреждающего планирования. Оно также напоминает о вечном соревновании «снаряда и брони» — по мере развития технологий развиваются и методы их взлома. Улучшения алгоритмов и лучшая интеграция оборудования и программного обеспечения продолжают снижать барьеры для потенциальных злоумышленников.

Компания D-Wave представила самый мощный в мире квантовый компьютер — систему Advantage2 с более чем 4400 кубитами. Как и все предыдущие системы D-Wave (за исключением компьютеров первых поколений), Advantage2 будет доступна только через облако. Поставки физических систем клиентам начнутся позже — с платформ, насчитывающих не менее 7000 кубитов, время которых ещё не пришло.

Источник изображений: D-Wave

Новинка позволяет вплотную познакомиться с возможностями передовых квантовых компьютеров канадско-американской компании D-Wave Quantum Inc. К сожалению, это не универсальные квантовые вычислители. Системы D-Wave используют так называемый квантовый отжиг, предназначенный для решения задач оптимизации — в логистике, разработке магнитных материалов, определённых лекарств и других специфических областях.

Именно на примере исследования магнитных материалов компания D-Wave ранее в этом году доказала, что её младшая система Advantage2 с 1200 кубитами заслуживает называться «Святым Граалем квантовых вычислений», продемонстрировав квантовое превосходство над классическими суперкомпьютерами. Новая платформа с 4400 кубитами обещает быть ещё мощнее, сохраняя за системами Advantage2 статус «самых мощных в мире». По крайней мере, эти компьютеры уже сегодня способны оказывать практическую помощь в сложных расчётах.

Квантовые процессоры Advantage2 основаны на более совершенной архитектуре по сравнению с предыдущими поколениями. Если раньше каждый кубит был связан максимум с 15 другими, то теперь число связей увеличено до 20. Это делает расчёты более эффективными и позволяет решать значительно более сложные задачи в более короткие сроки. Кроме того, почти вдвое увеличено время когерентности — период, в течение которого кубиты сохраняют своё квантовое состояние и устойчивость к ошибкам.

Квантовый процессор Advantage2

Примечательно, что новая платформа потребляет те же 12 кВт энергии, что и все предыдущие компьютеры компании. Это означает, что энергоэффективность систем последовательно растёт — и это можно только приветствовать.

В облаке новая система D-Wave коммерчески доступна в 42 странах мира. Первые три месяца компания предоставляет возможность использовать её бесплатно, позволяя клиентам на практике оценить прогрессивность квантовых вычислений и их применимость для решения прикладных задач.

Глава немецкого подразделения IBM сообщил, что компания развернула в Германии один из своих мощнейших квантовых компьютеров. Система получила название Aachen. Она построена на втором поколении квантового процессора Heron.

Источник изображения: IBM

В своём посте в LinkedIn Дэвид Фаллер (David Faller) сообщил, что система доступна клиентам компании через сервис IBM Quantum Cloud Platform, а физически она размещена в европейском центре обработки данных IBM Quantum, расположенном к югу от Штутгарта в Германии.

Процессоры Heron были представлены в декабре 2023 года.

На момент анонса сообщалось о 133 кубитах и пятикратном снижении числа вычислительных ошибок по сравнению с предыдущим 127-кубитным процессором Eagle. Снижение ошибок стало одним из важнейших достижений в архитектуре процессоров, поскольку без этого масштабирование квантовых вычислительных платформ крайне затруднено.

В основу новой квантовой системы Aachen лёг обновлённый вариант процессора Heron — 156-кубитный Heron r2.

«Aachen дополняет наши квантовые системы в Страсбурге и Брюсселе, которые доступны с конца июня 2024 года и построены на 127-кубитных процессорах Eagle. Это также одна из самых быстрых квантовых систем в нашем парке на сегодняшний день», — сообщил Фаллер.

По состоянию на начало 2025 года у IBM насчитывалось 13 квантовых компьютеров промышленного уровня, каждый из которых содержал более 100 кубитов. Они работали в Покипси (штат Нью-Йорк), в немецком центре обработки данных и у клиентов по всему миру. По словам компании, с 2016 года она внедрила в общей сложности чуть менее 80 квантовых систем — больше, чем все остальные участники отрасли вместе взятые. Однако ощутимых результатов от этого внедрения пока не видно — по крайней мере, эта тема широко не освещается.

В то же время сама IBM, как минимум, получает материальную отдачу от внедрения квантовых платформ. Так, в феврале 2025 года стало известно, что за период с первого квартала 2017 года, когда было создано подразделение IBM Quantum, по четвёртый квартал 2024 года компания подписала контракты почти на $1 млрд. Вряд ли это покрывает все расходы на развитие квантовых вычислителей, но это — дополнительный стимул продолжать движение в выбранном направлении.

Китайские учёные первыми в мире использовали квантовый компьютер для точной настройки искусственного интеллекта — большой языковой модели с одним миллиардом параметров. Это стало первым использованием квантовой платформы, имеющим практическую ценность. В этом проявил себя компьютер Wukong китайской компании Origin, основанный на 72 сверхпроводящих кубитах.

Источник изображения: Origin

Система Wukong относится к третьему поколению квантовых компьютеров Origin. В январе 2024 года к ней был открыт облачный доступ со всего мира. Как признаются разработчики, поток учёных возглавили исследователи из США, несмотря на то что китайским учёным доступ к аналогичным ресурсам западных партнёров по-прежнему закрыт.

«Это первый случай, когда настоящий квантовый компьютер был использован для точной настройки большой языковой модели в практических условиях. Это демонстрирует, что современное квантовое оборудование может начать поддерживать задачи обучения ИИ в реальном мире», — сказал Чэнь Чжаоюнь (Chen Zhaoyun), исследователь из Института искусственного интеллекта при Национальном научном центре в Хэфэе.

По словам учёных, система Origin Wukong на 8,4 % улучшила результаты обучения ИИ при одновременном сокращении количества параметров на 76 %. Обычно для решения подобных задач — специализации ИИ общего назначения — используются суперкомпьютеры, что требует значительных вычислительных и энергетических ресурсов. Квантовый вычислитель, использующий принцип квантовой суперпозиции — множества вероятностных состояний вместо двух классических (0 и 1), способен экспоненциально ускорить расчёты при относительно скромных затратах ресурсов.

В частности, учёные продемонстрировали преимущества точной настройки большой языковой модели с помощью квантовой системы для диагностики психических расстройств (число ошибок снижено на 15 %), а также при решении математических задач, где точность выросла с 68 % до 82 %.

Для запуска алгоритмов обучения ИИ на квантовой платформе исследователи разработали то, что назвали «квантово-взвешенной тензорной гибридной настройкой параметров». Весовые значения обрабатывала квантовая платформа, в то время как классическая часть готовила большую языковую модель. Благодаря суперпозиции и эффекту квантовой запутанности платформа Origin Wukong смогла одновременно обрабатывать огромное количество комбинаций параметров, что ускорило специализацию модели.

Три месяца назад компания Google доказала возможность масштабирования квантовых систем без значительного увеличения числа квантовых ошибок. Это снимает барьеры для создания по-настоящему практичного квантового компьютера, который потребует от сотен тысяч до миллиона кубитов. Всё это укрепило уверенность руководителей квантового подразделения Google в том, что компания совершит действительный прорыв в квантовых технологиях уже до конца текущего десятилетия.

Сундар Пичаи с одним из квантовых компьютеров Google в октябре 2019 года. Источник изображения: Reuters

В интервью информагентству CNBC исполнительный директор подразделения Google Quantum AI Джулиан Келли (Julian Kelly) сказал: «Мы думаем, что осталось около пяти лет до настоящего прорыва — создания практического приложения, которое можно будет решить только на квантовом компьютере».

Сегодня первые воплощения квантовых компьютеров решают синтетические задачи, которые также невозможно запустить на классических компьютерах. Но они не имеют практической ценности. Квантовые платформы пока ограничены в вычислительных ресурсах — в количестве кубитов для запуска сложных алгоритмов. Учёные и разработчики подобных систем и алгоритмов всё ещё учат их использовать и ищут сферу возможного приложения для квантовых вычислителей. Какой-либо определённости в этих вопросах нет, и нахождение ответов на такие, казалось бы, простые вопросы тоже может стать прорывом.

Пока сотрудники Google Quantum AI и их коллеги сходятся на том, что квантовые системы способны на фундаментальном уровне имитировать физические явления и процессы. Поскольку на базовом уровне физика и химия — это суть проявлений квантовой механики, то квантовые симуляторы могут проложить путь к новым материалам и веществам, например, к новым составам аккумуляторов или лекарствам.

Ещё одним применением для квантовых систем может стать генерация данных для обучения искусственного интеллекта, хотя в Google подчёркивают, что современные модели ИИ не подходят для запуска на квантовых платформах.

«Одно из потенциальных применений, которое вы можете придумать для квантового компьютера, это генерация всё новых и новых данных», — сказал Келли.

Заинтересованность в данных и в методах их новой обработки заинтересованы все лидеры отрасли вычислений. Некоторые, например, Microsoft, готовы даже подчинять себе физику — буквально. Таким действием стало заявление компании о создании квантового процессора на ещё не открытой частице — фермионе Майораны. Специалистов Microsoft не смутило её отсутствие и последующее возмущение физиков. В Microsoft готовы потрясать устои науки ради достижения поставленной цели.

Отдельная история с генеральным директором Nvidia Дженсеном Хуангом (Jensen Huang). В январе 2025 года на CES 2025 он заявил, что квантовые компьютеры не появятся ещё как минимум 15 лет, чем обвалил акции квантовых компаний. Позже он извинился за эти слова, и заявил, что заинтересован в квантовых разработках. Ускорители Nvidia могут быть связующим звеном между квантовыми и классическими платформами, и главе «графической» компании не следовало сомневаться в новом направлении бизнеса.

В любом случае ближайшие пять лет принесут много нового в мире квантовых вычислений. Будет ли это прорыв или просто быстрое продвижение вперёд — это уже не так важно. Главное то, что застоя на этом направлении не будет, а результат, в том или ином виде, обязательно появится.

Необходимость открыть исследовательский центр, специализирующийся на проблемах создания квантовых компьютеров, вынудила руководство Nvidia не только созвать представителей отрасли на отдельном мероприятии, но и извиниться перед ними за излишний пессимизм, транслировавшийся в январе этого года.

Источник изображения: Nvidia

Тогда генеральный директор Nvidia Дженсен Хуанг (Jensen Huang) заявил, что сомневается в способности пригодных к практическому использованию квантовых компьютеров появиться на рынке в перспективе ближайших 15 лет. Тогда он даже был убеждён, что лучше настраиваться на срок не менее 20 лет. Подобные прогнозы глава Nvidia делал, опираясь на опыт его собственной компании, у которой серьёзный бизнес в сфере аппаратного и программного обеспечения развивался на протяжении 20 лет.

Собрав представителей отрасли квантовых вычислений на мероприятии Quantum Day на этой неделе, Дженсен Хуанг был вынужден признать, что был не прав в своих прогнозах. Он также заявил, что был удивлён реакцией фондового рынка на свои январские заявления. По сути, сам по себе факт существования публичных компаний, которые занимаются проблемами создания квантовых компьютеров, удивил основателя Nvidia. На мероприятии в четверг руководство Nvidia выступало с серией докладов плечом к плечу с представителями 12 компаний, работающих в сфере квантовых вычислений. Некоторые из участников мероприятия выступили с критикой январских заявлений Хуанга. Последний даже пошутил на эту тему: «Это мероприятие является первым в истории, на которое генеральный директор компании пригласил гостей, чтобы объяснить, почему он был не прав».

К данному мероприятию было приурочено и открытие исследовательского центра Nvidia в Бостоне, который будет специализироваться на расчётах, связанных с разработкой квантовых компьютеров. Учёные из Гарварда и МТИ будут сотрудничать с представителями Nvidia и нескольких компаний, занимающихся созданием квантовых компьютеров: Quantinuum, Quantum Machines и QuEra Computing. К работе новый исследовательский центр приступит в этом году, местные вычислительные мощности будут основаны на новейших ускорителях Blackwell.

Глава Nvidia разделяет мнение некоторых представителей отрасли квантовых вычислений, которые считают, что после появления квантовых компьютеров место для традиционных вычислительных центров на основе полупроводниковых компонентов тоже останется. Они будут работать бок о бок. По крайней мере, для разработки квантовых компьютеров будут использоваться традиционные. Хуанг добавил, что в своё время ошибся в своих предсказаниях по поводу экспансии вычислительных систем, основанных на GPU. Много лет назад он был уверен, что они вытеснят с рынка все прочие, но теперь признаёт, что был не прав.

Nvidia объявила, что в этом году в Бостоне откроется новый исследовательский центр, который ускорит развитие квантовых компьютеров и прикладных квантовых алгоритмов. Центр объединит усилия ведущих специалистов в области архитектуры и алгоритмов, которые с помощью суперускорителей Nvidia ускорят приближение будущего, в котором практичные и устойчивые к ошибкам квантовые вычисления станут привычным явлением.

Источник изображения: Nvidia

Центр NVAQC (Nvidia Accelerated Quantum Research Center) соединит передовое квантовое вычислительное оборудование с суперкомпьютерами и моделями искусственного интеллекта. NVAQC поможет решить самые сложные задачи квантовых вычислений — от устранения шума кубитов до преобразования экспериментальных квантовых процессоров в практические устройства.

Ведущие разработчики квантовых вычислений, включая Quantinuum, Quantum Machines и QuEra Computing, будут использовать возможности NVAQC для продвижения исследований, сотрудничая с ведущими университетами — Гарвардом (HQI), Массачусетским технологическим институтом (MIT) и другими.

«Квантовые вычисления дополнят возможности суперкомпьютеров с искусственным интеллектом при решении одних из самых важных проблем в мире — от создания лекарств до разработки новых материалов, — сказал Дженсен Хуан (Jen-Hsun Huang), основатель и генеральный директор Nvidia. — Работая с широким сообществом квантовых исследователей над развитием гибридных CUDA-квантовых вычислений, Центр квантовых исследований NVAQC станет местом, где будут достигнуты прорывные результаты в создании крупномасштабных, полезных и ускоренных квантовых суперкомпьютеров».

В рамках NVAQC коммерческие и академические партнёры получат от Nvidia доступ к самым современным стоечным системам Nvidia GB200 NVL72 — это самое мощное аппаратное обеспечение, когда-либо использовавшееся в области квантовых вычислений. Оно позволит проводить сложное моделирование квантовых систем и использовать алгоритмы управления квантовым оборудованием с низкой задержкой, необходимой для коррекции квантовых ошибок. Системы Nvidia GB200 NVL72 также ускорят внедрение алгоритмов искусственного интеллекта в исследования квантовых вычислений.

Платформа Nvidia CUDA-Q обеспечит интеграцию графических ускорителей компании с различными квантовыми вычислительными архитектурами, что позволит исследовательским группам разрабатывать новые гибридные квантовые алгоритмы и приложения. В конечном итоге это поможет создать прорывные квантовые вычислительные платформы в кратчайшие сроки.

Компания D-Wave пополнила ряды разработчиков квантовых компьютеров, заявивших о достижении так называемого «квантового превосходства». Под этим термином понимается способность квантовой системы решать задачи, которые у традиционного компьютера заняли бы миллионы лет вычислений. Это достижение может привести к появлению практических квантовых систем.

Источник изображений: D-Wave

Компания из Пало-Альто опубликовала в научном журнале Science статью, в которой описала, как её квантовая система провела моделирование новых магнитных материалов — задачи, которая, по её словам, не под силу современным классическим компьютерам. Такие материалы используются в различных датчиках, смартфонах, двигателях и медицинских устройствах визуализации.

«В каком-то смысле это Святой Грааль квантовых вычислений, — сказал Алан Барац (Alan Baratz), исполнительный директор D-Wave. — Это то, к чему стремились все в отрасли, и мы первые, кто действительно продемонстрировал это».

Как рассказал Эндрю Кинг (Andrew King), старший научный сотрудник D-Wave, моделирование нового материала со сложным магнитным полем с помощью квантового компьютера было выполнено менее чем за 20 минут. У ведущего суперкомпьютера Ок-Риджской национальной лаборатории аналогичная задача заняла бы около миллиона лет для достижения того же уровня детализации.

В компании заявили, что эта демонстрация стала первым случаем применения квантового компьютера для решения задач, имеющих практическое применение. По словам Бараца, возможность моделировать новые магнитные материалы, широко используемые в промышленности, означает, что их свойства могут быть изучены ещё до запуска в производство.

Подход D-Wave заметно отличается от методологии других разработчиков квантовых компьютеров. Вместо того чтобы пытаться создать универсальный квантовый компьютер, способный решать практически любые задачи, D-Wave выбрала более узкоспециализированный подход — квантовый отжиг. Эта технология лучше всего подходит для решения сложных оптимизационных задач, а также для некоторых видов моделирования материалов.

Несмотря на более узкую сферу применения, эта технология остаётся востребованной в бизнесе. Например, квантовая система хорошо справляется с «задачей коммивояжёра» — поиском оптимального маршрута между большим количеством различных точек.

В эксперименте был задействован прототип квантового компьютера Advantage2, который насчитывает более 1200 кубитов и более 10 000 «каплеров» (couplers) и доступен для клиентов D-Wave через облачный квантовый сервис Leap в реальном времени. Этот прототип значительно быстрее систем Advantage предыдущего поколения и позволяет находить более качественные решения для больших и сложных задач, отмечает производитель. Более того, в настоящее время D-Wave располагает процессором Advantage2, который в четыре раза превышает по мощности задействованный в эксперименте прототип.

D-Wave стала не первой компанией, заявившей о достижении квантового превосходства (хотя сама использует термин «квантовое преимущество» в том же значении). Первыми о нём объявили в Google ещё в 2019 году, однако их заявление вскоре было опровергнуто китайскими исследователями. Они показали, что традиционный суперкомпьютер можно было запрограммировать на выполнение той же задачи за гораздо меньшее время, чем утверждала Google.

Стоит отметить, что в последнее время квантовые компьютеры снова «вошли в моду». Недавно Google и Amazon анонсировали свои собственные квантовые чипы, а Microsoft в феврале заявила, что создала квантовый процессор на частицах, которые ещё не были обнаружены учёными. Эти разработки, по мнению компании, помогут сделать квантовые компьютеры более мощными.

D-Wave утверждает, что её машины коммерчески полезны уже много лет, хотя компании с трудом удаётся построить масштабный бизнес. Первые три квантовых компьютера она продала 14 лет назад, в том числе один консорциуму, в который входили Google и NASA, а затем перешла к продаже доступа к своей технологии через облако. За первые девять месяцев 2024 года выручка компании составила всего $6,5 млн, а убыток — $57 млн. Тем не менее в D-Wave считают, что четверть века, потребовавшиеся на достижение квантового превосходства, — вполне разумный срок по сравнению с десятилетиями, которые понадобились для коммерциализации традиционных компьютеров после изобретения транзистора.

После публикации научной статьи о прорыве компании Amazon в разработке квантовых компьютеров настал черёд узнать чуть больше о квантовом процессоре для этой платформы. Это прототип под названием «Оцелот» (Ocelot), что перекликается с именем компании Amazon, ведь эти кошачьи хищники обитают вдоль одноимённой южно-американской реки. И кошки здесь к месту, поскольку в основе архитектуры процессора лежат кошачьи кубиты.

Источник изображений: Amazon

Подробно об основах работы квантовой платформы с процессором «Оцелот» мы говорили в этой новости. Напомним, инженеры Amazon объединили в одном процессоре две разные архитектуры кубитов, за счёт чего добились радикального снижения аппаратных затрат — числа физических кубитов, необходимых для реализации схем исправления ошибок в вычислениях.

По признанию компании, схемы «Оцелота» исправляют ошибки с экономией 90 % физических кубитов по сравнению с конкурирующими платформами. Иначе говоря, прорывной квантовый процессор Amazon использует на порядок меньше аппаратных ресурсов для безошибочного исполнения квантовых алгоритмов. Нужно ли говорить, что в этом скрыт огромный потенциал для более простого наращивания числа кубитов?

Источник изображения: Nature 2025

Компания Amazon так описывает схему процессора: «Логический чип памяти Ocelot, показанный на схеме выше, состоит из пяти кошачьих кубитов данных, в каждом из которых находится осциллятор, используемый для хранения квантовых данных. Опорный осциллятор каждого кошачьего кубита соединён с двумя вспомогательными трансмонными кубитами для обнаружения связанных с фазовым сдвигом ошибок, и сопряжён со специальной нелинейной буферной схемой, используемой для стабилизации состояний кошачьих кубитов и экспоненциального подавления ошибок, связанных с изменением порядка битов».

Кошачьи кубиты, названные так в честь вымышленной кошки Шрёдингера (в оригинале это кошка, а не кот), устойчивы к ошибкам переворота бита, поскольку используют группы фотонов и пренебрегают переворотами одного из них. Трансмоны служат для коррекции ошибок со сдвигом фазы и исправляют условно единственные ошибки кошачьих кубитов, которые те допускают. Тем самым гибридная архитектура более простыми средствами устраняет ошибки в квантовых вычислениях.

«Настройка устройства Ocelot включает калибровку частоты ошибок при переключении битов и фаз кошачьих кубитов в зависимости от амплитуды “кошки” (среднего количества фотонов) и оптимизацию шумового смещения вентиля C-NOT, используемого для обнаружения ошибок при переключении фаз. Наши экспериментальные результаты показывают, что мы можем добиться времени переключения битов, приближающегося к одной секунде, что более чем в тысячу раз превышает срок жизни обычных сверхпроводящих кубитов», — поясняют в Amazon.

Физически чип «Оцелот» состоит из двух электрически соединённых кристаллов, каждый из которых имеет площадь 1 см². На поверхности каждого кремниевого микрочипа находятся тонкие слои сверхпроводящих материалов, которые образуют элементы квантовых схем. Чип Ocelot состоит из 14 основных компонентов: пять кубитов данных (кошачьих кубитов), пять «буферных схем» для стабилизации кубитов данных и четыре дополнительных кубита для обнаружения ошибок в кубитах данных (трансмона).

Квантовые биты хранят квантовые состояния, используемые для вычислений. Для этого они полагаются на компоненты, называемые осцилляторами, которые генерируют повторяющийся электрический сигнал с постоянной частотой. Высококачественные осцилляторы Ocelot изготовлены из тонкой плёнки сверхпроводящего материала под названием тантал. Специалисты AWS по материалам разработали особый способ обработки тантала на кремниевом чипе для повышения производительности осциллятора.

В целом компания заимствовала большинство технологий для производства «Оцелота» из полупроводниковой отрасли и готова быстро сократить стоимость выпуска процессоров в пять раз. Представленная Amazon передовая квантовая платформа — в корне не такая, как у всех остальных — должна на пять лет ускорить появление практичного и устойчивого к ошибкам квантового компьютера, уверены в компании.