Квантовые компьютеры в США

Квантовые компьютеры и квантовая связь

Основная статья: Квантовые компьютеры и квантовая связь

2025: Microsoft представила квантовый процессор Majorana 1 с 8 кубитами

В феврале 2025 г Microsoft представила квантовый процессор Majorana 1, который, по заявлениям компании, способен сократить путь к созданию коммерчески жизнеспособных квантовых компьютеров с миллионами кубитов «с десятилетий до нескольких лет». Подробнее см. Majorana

2024: Геологическая служба США начинает использовать квантовые технологии для поиска полезных ископаемых

16 января 2024 года Геологическая служба США (USGS) и компания Q-Ctrl объявили о заключении договора о сотрудничестве, цель которого заключается в использовании квантовых технологий для поиска полезных ископаемых. Кроме того, стороны изучат новые методы прогнозирования стихийных бедствий. Подробнее здесь.

2023

Создан квантовый компьютер с рекордными 1225 кубитами

24 октября 2023 года стартап Atom Computing объявил о создании первого в отрасли квантового компьютера с более чем 1000 кубитов. Компания заявляет, что это знаковое событие, поскольку с появлением подобных систем универсальные квантовые компьютеры начнут трансформировать отрасль высокопроизводительных вычислений (НРС). Подробнее здесь.

Ученые из Университета Миннесоты в США создали суперпроводящий диод

8 июня 2023 года стало известно о том, что команда ученых из Университета Миннесоты в США создала суперпроводящий диод, который может помочь масштабировать квантовые компьютеры для промышленного использования и повысить производительность систем искусственного интеллекта. По сравнению с другими суперпроводящими диодами, устройство исследователей более энергоэффективно, может обрабатывать несколько электрических сигналов одновременно и содержит ряд затворов для управления потоком энергии, что ранее никогда не внедрялось в суперпроводящий диодах. Подробнее здесь.

2022: Nvidia представила вычислительную платформу Quantum Optimized Device Architecture

Nvidia представила свою вычислительную платформу Quantum Optimized Device Architecture (QODA), цель которой — преодолеть разрыв между квантовыми и классическими приложениями. Об этом стало известно 13 июля 2022 года. Подробнее здесь.

2021

АНБ запустила лабораторию для развития квантовых вычислений

В начале мая 2021 года Исследовательская лаборатория Армии США (Army Research Office) и Лаборатория физических наук (Laboratory for Physical Sciences) при Агентстве национальной безопасности (АНБ) сообщили о запуске исследовательского центра для развития квантовых вычислений. Проект получил название LPS Qubit Collaboratory (LQC). Подробнее здесь.

Анонс квантового ускорителя от Quantum Brilliance, работающего при комнатной температуре

В конце марта 2021 года Quantum Brilliance представила, как утверждает компания, первый в мире квантовый ускоритель на основе алмаза, который может работать при комнатной температуре. Подробнее здесь.

2020

Анонс квантового компьютера Honeywell System H1

В конце октября 2020 года Honeywell представила квантовый компьютер System H1, который имеет 10 кубитов. По сообщению американской компании, система обеспечивает удвоенную производительность за счет квантового объема, увеличенного до 128. Подробнее здесь.

Президент США Трамп выделил $1 млрд на 7 ИИ-институтов и 5 центров квантовых вычислений

В конце августа 2020 года Трамп выделил $1 млрд на создание семи научно-исследовательских институтов искусственного интеллекта и пяти исследовательских центров квантовых вычислений в течение пяти лет. ПодПрофессиональные дисплеи для медучреждений: как цифровые технологии улучшают качество обслуживания пациентов и работу медперсонала 2.3 т руководством Национального научного фонда и Министерства энергетики 12 междисциплинарных центров будут исследовать новые технологии и обучать будущих сотрудников. Подробнее здесь.

Начало использования самого мощного квантового компьютера Honeywell

В июне 2020 года Honeywell сообщила о запуске, как утверждает компания, самого мощного квантового компьютера в истории. Систему уже начали использовать несколько клиентов, среди которых — банк JP Morgan Chase. Подробнее здесь.

США увеличивают на 20% госрасходы на квантовые технологии

27 апреля 2020 года стало известно, что Администрация президента США Дональда Трампа при планировании государственного бюджета на 2021 год решила на 20% увеличить расходы на квантовую информатику до $237 млн. При этом затраты на научную деятельность в 2021 году в целом она сокращает на 10%.

Из указанных $237 млн Министерство энергетики США планирует $25 млн в 2021 году потратить на разработку квантового интернета.

Такой уровень финансирования позволит нам начать разрабатывать основы для сложных, практичных и высокоэффективных квантовых сетей, — заявил Дэвид Аушалом, квантовый инженер из Чикагского университета.

Существуя одновременно с традиционным интернетом для общего пользования, квантовый интернет может предложить новые уникальные возможности. Например, ученые смогли бы разрабатывать абсолютно новые лекарственные препараты и материалы, моделируя поведение атомов на сетевых квантовых компьютерах, а финансовые учреждения и правительства смогли бы получить более надежные каналы передачи данных. Многие страны вкладывают в исследование квантовых технологий, и с предложением бюджета на 2021 год администрация Трампа стремится нарастить эти усилия.

Квантовый интернет - это перспективная область, поэтому в США решили увеличить инвестиции в неё. По состоянию на апрель 2020 года в стране имеются прототипы квантовых сетей в Чикаго и Нью-Йорке. В 2020 году ученые провели успешный эксперимент в чикагской сети.

Мы создали запутанные состояния света, — рассказал Аушалом, — и попытались использовать их в качестве транспортного средства, чтобы проверить, как запутанность работает в реальном мире.

Аналогичные эксперименты проводятся и на Восточном побережье США, где исследователи посылают запутанные фотоны по волоконно-оптическим кабелям, соединяющим Брукхейвенскую национальную лабораторию в Нью-Йорке с Университетом штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук на расстоянии около 18 километров.^[1]

Honeywell разрабатывает самый мощный квантовый компьютер

В начале марта 2020 года Honeywell International объявила, что присоединяется к гонке по созданию квантового компьютера. Компания готовится к выпуску самой мощной системы в мире. Подробнее здесь.

2019: Google создала самый мощный квантовый компьютер в мире

В середине сентября 2019 года компания Google объявила, что смогла создать самый мощный в мире квантовый компьютер. Информация об устройства была опубликовала в докладе NASA, который впоследствии был удалён с сайта организации. Подробнее здесь.

2018

Ford будет использовать квантовый компьютер NASA для решения транспортных проблем

5 декабря 2018 года Ford в рамках очередного проекта разработает для грузовых дизельных машин комплексные карты маршрутов, которые помогут поддерживать нормальную работу сажевых фильтров. В 2019 году компания получит доступ к Лаборатории NASA по изучению квантового искусственного интеллекта Quantum Artificial Intelligence Lab в Исследовательском центре Эймса (Ames Research Center) в Кремниевой долине.

Специалисты Ford вместе с представителями NASA будут работать с компьютером, функционирующим по принципу квантовой релаксации (квантового отжига), который поможет решить сложнейшие задачи. Возможности квантовых вычислений будут применены для разработки решений в сфере управления большими автомобильными парками. Подробнее здесь.

Квантовый компьютер Microsoft

В марте 2018 года стало известно о том, исследователи голландского центра Microsoft, расположенного в Техническом университете в Делфте (Delft University of Technology), работают над созданием квантового компьютера с гораздо более низкой частотой ошибок, чем в проектах, которые тестируются конкурирующими компаниями, такими как IBM и Google.

Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature, в Microsoft получили достоверные свидетельства создания майорановских фермионов — элементарной частицы, являющейся собственной античастицей — в проволоке, состоящей из полупроводниковых и сверхпроводящих материалов. Уникальные свойства этих фермионов означают, что они могут быть использованы для создания квантовых компьютеров.

«Квантовый холодильник» Microsoft сохраняет кубиты при сверхнизкой температуре, необходимой для компьютерных вычислений

Именно их пытаются получить в голландском подразделении Microsoft в Делфте, где работают несколько холодильных установок стоимостью более $500 тыс. каждая. Они охлаждают специальные контуры до сверхнизких температур, при которых появляется возможность получить майорановские фермионы. Рядом с несколькими холодильниками висят гигантские 68-фунтовые магнитные кольца, которые команда Microsoft использует, чтобы снизить частоту ошибок в вычислениях. Магниты, впрочем, как признает физик Лео Коувенховен, являются обоюдоострым мечом, так как их большой размер и вес затрудняют эксперименты.

По словам Коувенховена, Microsoft полагает, что вычисления его квантового компьютера — если его удастся создать — будут в 1000 и 10 000 раз точнее, чем у существующих моделей. В том же помещении рядом с холодильниками работают молодые исследователи, анализирующие красочные графики, однако пока что признаков появления фермионов не отмечается. Точные измерения в плотном магнитном поле получить сложнее, и хотя теория на стороне исследователей, у них может просто не хватить времени на создание квантового компьютера мечты. Цель группы Коувенховена — получить стабильные майорановские фермионы к концу 2018 года.

Другие тестируемые версии квантовых компьютеров совершают слишком много ошибок в расчетах, чтобы использоваться на практике, например, для создания новых химических катализаторов или взламывания шифровальных кодов, на что изначально надеялись создатели. Поэтому несмотря на высокие затраты Microsoft пытается получить фермионы для создания кубитов — квантового разряда или наименьшего элемента для хранения информации в квантовом компьютере.

До сих пор Microsoft уступала конкурентам: у Google и IBM уже есть машины, которые, как считается, близки к достижению «квантового превосходства» — способности решать задачи, слишком сложные для стандартных компьютеров, — тогда как Microsoft еще даже не получила рабочий кубит. Однако кубиты на основе майорановских фермионов могут стать основой для потенциально более эффективного квантового компьютера. Поэтому Microsoft собрала группу ученых, которые принялись за работу в лабораториях в США, Нидерландах, Дании и Австралии. Ответственным за проект был назначен один из самых опытных руководителей Microsoft, Тодд Хольдхэл, который ранее работал над игровыми консолями Xbox и игровыми очками дополненной реальности HoloLens.

Генеральный директор Microsoft Сатья Наделла пояснил, что квантовые разработки наряду с искусственным интеллектом и дополненной реальностью будут иметь решающее значение для будущего компании, а в ноябре 2017 года Хольдхэл заявил в интервью Bloomberg, что Microsoft выведет на рынок собственный квантовый компьютер в течение следующих пяти лет.^[2]

2017

Intel Квантовый 17-кубитный процессор

В октябре 2017 года было объявлено о поставке экспериментального 17-кубитного процессора Intel, созданного на базе технологий сверхпроводимости, в нидерландский исследовательский центр QuTech, занимающийся совместно с Intel исследованиями в области квантовой физики. Процессор, изготовленный на производственных мощностях Intel, отличается уникальной структурой кристалла, позволяющей повысить выход годных кристаллов на пластине и добиться существенного прироста производительности.

Microsoft работает над созданием квантового компьютера

Microsoft объявила в июне 2017 года о проведении разработок в области создания квантового компьютера. Подобные машины способны перевернуть всю индустрию, так как позволят обрабатывать за секунды объемы данных, на анализ которых сейчас ушли бы годы. Технология, использующаяся в них, основана на кубитах (квантовых битах), которые могут одновременно находиться в двух состояниях – 0 и 1, в то время как обычные биты находятся только в одном из них. В будущем эта технология повлияет на такие области как криптография и сверхзащищенная связь, а также моделирование климата и поиск темной материи^[3].

Проект по созданию квантового компьютера Microsoft возглавляет Тодд Холмдал (Todd Holmdahl), ранее входивший в число руководителей команд разработчиков Kinect, HoloLens и Xbox. Сейчас он говорит о квантовых вычислениях, как о новом направлении в бизнесе, а не теоретических или исследовательских проектах. И он уверен, что именно Microsoft станет пионером в этой области, внедрив квантовые технологии в свои облачные платформы.

Команда под руководством Тодда Холмдала, входящая в состав недавно созданной Microsoft AI и Research Group, будет работать как над аппаратной так и программной частями квантового компьютера. «Подобно классическим высокопроизводительным вычислениям, нам нужно не только оборудование, но и оптимизированное программное обеспечение», - комментирует Матиас Тройер (Matthias Troyer), профессор вычислительной физики Швейцарской высшей технической школы Цюриха, специально приглашенный для участия в проекте исследовательской группы Microsoft.

В Microsoft уверены, что знания, накопленные Microsoft Research достигли того уровня, который позволит создать настоящий прорыв в создании квантового компьютера. На вопрос о том, когда Microsoft сможет построить свой первый топологический кубит, Холмдал, которому сейчас 52 года, не дает точного ответа. Однако отметил, что скоро он уходит на пенсию и событие произойдет до этого момента.

2016: Исследовательский проект Microsoft

В ноябре 2016 года стало известно о том, что Microsoft разрабатывает квантовый компьютер. Для этого компания сформировала отдельный исследовательский проект, который возглавил ветеран Microsoft Тодд Холмдал (Todd Holmdahl), входивший в число руководителей команд разработчиков Kinect, HoloLens, и Xbox.

Квантовые вычисления предполагают, что использующие их компьютерные системы могут находиться в двух состояниях одновременно. Если традиционные ПК записывают биты информации последовательно (в состояниях нуль или единица), то квантовые могут выполнять несколько вычислений параллельно, кодируя два значения сразу.

Тодд Холмдал — глава проекта Microsoft по разработке квантового компьютера

Microsoft намерена создать "топологический" квантовый компьютер с двухмерными частицами, называемыми энионами, образующими трехмерные переплетения с двумя пространственными измерениями энионов и временем. Компания планирует использовать такие системы в проектах искусственного интеллекта, клинических исследованиях, моделировании климатических условий и др.

Помимо Тодда Холмдала, в команду исследователей квантовых вычислений Microsoft также вошли известные специалисты в этой области — профессоры Лео Кувенховен (Leo Kouwenhoven) из Дельфтского технологического университета, Чарльз Маркус (Charles Marcus) из Университета Копенгагена, Дэвид Рейлли (David Reilly) из Университета Сиднея и Маттиас Тройер (Matthias Troyer) из Швейцарского федерального технологического института.

Концепцией квантовых вычислений Microsoft заинтересовалась еще в 2005 году, создав тогда исследовательскую лабораторию Station Q под руководством математика Майкла Фридмана (Michael Freedman). В 2015 году Microsoft представила симулятор LIQUi|> (Language-Integrated Quantum Operations), позволяющий любому человеку изучать возможности квантовых вычислений. ^[4]

2015: Google заявила о вероятности создания квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры никогда не выиграют у современных классических компьютеров, если не обретут способность самостоятельной коррекции ошибок, разрушающих "хрупкие" квантовые состояния их квантовых битов, кубитов. Группа компаний Google, ведущая исследования в области квантовых вычислений, продемонстрировала первую в мире систему, способную самостоятельно производить коррекцию возникающих ошибок - шаг, приближающий область квантовых вычислений к ее практической реализации^[5].

Процессор квантового компьютера D-Wave, 2014

Помянутое достижение стало возможным в результате перехода в компанию Google группы ученых из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре , осенью 2014 года. В свое время она разработала и изготовила систему квантовых сверхпроводящих схем, работающих с уровнем точности и надежности, достаточным для реализации технологии устранения ошибок.

"Это первый случай в истории информационных технологий, когда "естественные" ошибки, возникающие в результате воздействия на кубиты различных факторов окружающей среды, могут быть исправлены, - поведал Рэми Барендс (Rami Barends), инженер компании Rami Barends. - Мы создали первое квантовое устройство, способное самостоятельно исправить возникающие при его работе ошибки".

Интересующимся сферой квантовых вычислений хорошо известно - основная проблема, с которой сталкиваются создатели квантовых вычислительных систем - необходимость сохранения квантового состояния кубитов в течение длительного времени. Хрупкое квантовое состояние может нарушаться вмешательством любого, из достаточно большого набора внешних факторов, от которых отгородиться полностью не получается принципиально. Решением этой проблемы является квантовый код коррекции ошибок, основа которого - классический метод устранения ошибок, достаточно широко используемый в современной вычислительной технике.

Но главная проблема, с которой пришлось столкнуться исследователям, в том, что разработанный код коррекции не имеет возможностей обнаружения возникшей ошибки прямым способом, не нарушая квантовое состояние кубитов.

Исследователи обошли эту проблему, используя явление квантовой запутанности, при помощи которого один кубит может делиться информацией с другими кубитами посредством "призрачной" квантовой связи. Корректирующий код, включенный в состав квантовой системы, измеряет значение квантового состояния кубита, запутанного с несколькими соседними кубитами, что помогает удержать его исходное состояние неизменным.

Созданный код коррекции ошибок работает за счет использования определенного пространственного расположения кубитов, которое чем-то напоминает шахматную доску. В белых квадратах этой доски располагаются информационные кубиты, задействованные в выполнении квантовых вычислительных операций, а в черных квадратах находятся "измерительные" кубиты, используемые для коррекции ошибок, возникающих в прилежащих информационных кубитах.

Для демонстрации технологии исследователи изготовили простое устройство, состоящее из девяти кубитов, упорядоченных в виде матрицы 3 на 3 элемента. И работа этой системы, точнее, работа корректирующего кода была проверена при помощи 90 тысяч специализированных вычислительных операций, что позволило собрать необходимое количество статистических данных.

"Это послужило доказательством тому, что потраченные на теоретические исследования годы не прошли впустую и практическая реализация технологий коррекции ошибок возможна" - отметил Джулиан Келли (Julian Kelly), инженер компании Google.

Еще одно достижение: исследователи продемонстрировали, что показатели успешного устранения ошибок в квантовой системе увеличились с увеличением количества кубитов. К примеру, уровень ошибок при работе системы с пятью кубитами был в 2,7 раз меньше уровня ошибок в системе с единственным кубитом. А разница в этих уровнях между системами с одним и девятью кубитами составила чуть более 8,5 раз.

"Это захватывающая новость для сферы квантовых вычислений. Все указывает на то, что системы с большим количеством квантовых битов могут быть стабильны и не рухнут под напором лавины возникающих ошибок, - подчеркнул Джулиан Келли. - И это, в свою очередь, означает, что квантовые компьютеры, оперирующие большим количеством кубитов, все же могут быть созданы".

2013: Lockheed Martin использует канадскую квантовую систему D-Wave

На июль 2013 года даже современные, пока еще не очень совершенные, квантовые вычислительные системы пользуются огромным интересом ведущих мировых кампаний. Так, канадскую квантовую вычислительную машину D-Wave использует оборонная компания Lockheed Martin, а в начале 2013 года D-Wave усилил вычислительные мощности Google. D-Wave не является универсальным квантовым компьютером, хотя и может быть использован в качестве основы для его разработки. D-Wave - это 512-кубитная вычислительная машина на сверхпроводящих кольцах предназначенная для решения так называемых задач комбинаторной оптимизации, например анализа генома, вариантов сворачивания белков и т.п. Google будет использовать D-Wave для проектирования систем искусственного интеллекта, способного к самообучению.

Примечания