Дорогое будущее: актуальные тренды квантовых технологий

«Если вам говорят, что дело не в деньгах, значит, это не ваше дело», — ​сказал как-то 42‑й президент США Билл Клинтон. Почему я вынес эту фразу во вступление к обзору, расскажу ниже. А пока — ​о фантастических, ошеломляющих, невероятных, но исключительно научных новостях из мира квантовых технологий.

Путешествие по вентилям

Японцы сообщили о новом методе ускорения компиляторов для квантовых компьютеров. Компилятор — ​это программа, переводящая код с одного языка программирования на другой. В квантовых компьютерах компилятор отвечает за преобразование программ в последовательность вентильных операций с кубитами.

Пара слов о том, что такое вентили в информатике. Любая программа — ​это набор «комнаток», сигналы в них входят, по каким-то правилам преобразуются и выходят. В классическом программировании вентиль — ​«комнатка», в нее входят 0 или 1, выходят тоже 0 или 1. Набор этих вентилей и есть цифровая, логическая схема, по которой создаются программы. Простой пример — ​логический вентиль «не» для двоичных чисел: если в него поступает 1, то выходит «не 1» — ​0, и наоборот. Почему вентиль? Ответ, думаю, очевиден. Кран в ванной открыт — ​вода течет, закрыт — ​воды нет. Открыты два крана — ​вода теплая, один — ​либо ледяная, либо ​кипяток.

Одна из задач программиста — ​построить правильную и оптимальную последовательность путешествия по вентилям. Но к квантовым компьютерам традиционные способы поиска последовательности неприменимы. Дело в том, что по мере роста числа кубитов время поиска растет чуть ли не экспоненциально. Ученые Национального института информационных и коммуникационных технологий (NICT), Института физико-­химических исследований (RIKEN) и Токийского университета предложили вероятностный метод взамен применявшегося ранее алгоритма GRAPE.

С помощью суперкомпьютера Fugaku было продемонстрировано, что с новым методом оптимальную последовательность квантовых вентилей можно найти за несколько часов. Он позволяет более гибко управлять процессом компиляции квантовых программ, то есть быстрее адаптировать их к различным типам задач и квантовых компьютеров. Это может открыть путь к широкому использованию квантовых компьютеров, оперативной интеграции новых разработок.

Бесшумная телепортация

Весной научный мир восхитила работа китайских ученых, которые реализовали квантовую телепортацию на рекордное расстояние с точностью более 90 %. В основе революционной разработки лежит новый метод решения проблемы декогеренции — ​влияния шума окружающей среды на квантовую систему. Летом пришла еще одна новость: ученые Еврейского университета в Иерусалиме в содружестве с коллегами из Китая, США и Германии придумали свой метод уменьшения пагубного воздействия среды. В журнале Physical Review Letters они отмечают: распространенные стратегии защиты, основанные на временной автокорреляции шума, неоптимальны при наличии других корреляций. В борьбе с влиянием внешних шумов исследователи решили вышибить клин клином — ​применили деструктивную интерференцию, при которой две шумовые волны подавляют друг друга из-за разности фаз. Проще говоря, воздействовали на кубиты вторым источником шума, который, коррелируя с внешними шумами, снижал общее шумовое влияние на систему. В итоге увеличилось время когерентности квантовых состояний, то есть период, в течение которого квантовая информация оставалась ненарушенной. Соответственно, повысилась точность при работе с квантовыми системами, что немаловажно, например, для квантового зондирования, и надежность операций. Резонный вопрос: а на сколько удалось увеличить время квантовой когерентности? А в 10 раз! Согласитесь, это не один и даже не два шага вперед — ​это скачок в квантовых технологиях.

В США в поисках решения проблемы декогеренции пришли к простому, логичному, но очень неожиданному умозаключению. Для уменьшения потерь квантовую информацию надо передавать (читай — ​посылать кванты) по вакуумным трубкам. К этой мысли представителей Чикагского университета и Калифорнийского технологического института подтолкнули результаты экспериментов в обсерваториях LIGO и VIRGO. Там лазерные лучи двигаются внутри многокилометровых трубок с высоким вакуумом. В Physical Review Letters американские физики утверждают, что трубки (вакуумные лучеводы) диаметром около 20 см могут переносить фотоны на многие тысячи километров и иметь пропускную способность в десятки триллионов кубитов в секунду. «Основная проблема заключается в том, что движущийся через вакуум поток квантов немного рассеивается, — ​пишет один из авторов статьи, профессор Лян Цзян. — ​Мы предлагаем каждые несколько километров устанавливать линзы, которые фокусируют луч на большие расстояния без дифракционных потерь».

Цена прогресса

Влиятельное специализированное медиа Quantum Insider в очередном отчете о состоянии квантовой индустрии утверждает, что второй квартал этого года стал поворотным моментом с точки зрения финансирования квантовых технологий. Наблюдался приток частного капитала в размере около 0,8 млрд долларов, что в четыре раза больше, чем во втором квартале 2023 года. Всплеск может свидетельствовать о растущем доверии и интересе к сектору квантовых технологий.

Если говорить о государственных вливаниях, то Австралия объявила, что вложит 940 млн австралийских долларов в компанию PsiQuantum, Сингапур выделил 300 млн сингапурских долларов на свою национальную квантовую стратегию. Добавлю, что в России в 2023 году на сквозные технологии, в том числе квантовые, из бюджета было потрачено более 137 млрд руб­лей. Что ж, квантовое будущее — ​удовольствие дорогое. Но на то оно и будущее.