Квантовые компьютеры выходят на новый уровень без криоохлаждения

Австралийско-немецкая компания разрабатывает мощные квантовые компьютеры размером с видеокарту. Они работают при комнатной температуре,  превосходя сегодняшние огромные квантовые суперкомпьютеры с криоохлаждением, и вскоре станут достаточно маленькими для использования их в мобильных устройствах.

На данный момент сверхпроводящие квантовые компьютеры — огромные и невероятно привередливые машины. Их нужно изолировать от всего, что может сбить спин электрона и испортить работу. Это включает в себя механическую изоляцию в экстремальных вакуумных камерах, где всего несколько молекул могут оставаться в одном или двух кубических метрах пространства. Защита также включает в себя электромагнитные силы — например, IBM окружает свои драгоценные квантовые биты или кубиты мю-металлами для поглощения всех магнитных полей.

И защита включает температуру. Любой атом с температурой выше абсолютного нуля по определению находится в состоянии вибрации, и любая температура выше 10-15 тысячных градуса выше абсолютного нуля просто встряхивает кубиты до точки, в которой они не могут поддерживать «согласованность».

Поэтому большинство современных квантовых компьютеров необходимо криогенно охладить с использованием сложного и дорогостоящего оборудования, прежде чем кубиты сохранят свое состояние в течение любого периода времени и станут полезными.

Экстремальный вакуум, мю-металлы и криогенное охлаждение при микрокельвиновой температуре: это не рецепт для получения доступной, портативной или легко масштабируемой квантовой вычислительной техники.

Но стартап, родившийся в Австралии, утверждает, что разработал квантовый микропроцессор, которому ничего из этого не нужно. По утверждению компании, он прекрасно работает при комнатной температуре. Прямо сейчас он занимает размер обычной стойки. Скоро он будет размером с приличную видеокарту, и вскоре станет достаточно маленьким, чтобы поместиться в мобильных устройствах наряду с традиционными процессорами.

Если эта компания сделает то, что обещает, мы сможем интегрировать преимущества квантовых технологий в компьютеры практически любого размера, освободив эту мощную новую технологию от ограничений, связанных с размером суперкомпьютера и его нынешней стоимостью. Квантовое программное обеспечение и расчеты не нужно будет выполнять через быстрое подключение к мэйнфрейму или облаку, они будут выполняться на месте, где это необходимо.

Компания Quantum Brilliance была основана в 2019 году на основе исследований, проведенных ее основателями в Австралийском национальном университете, где они разработали методы производства, масштабирования и контроля кубитов, встроенных в синтетический алмаз.

Вот какое описание дает Quantum Brilliance: «Алмазные квантовые компьютеры комнатной температуры состоят из массива узлов процессора. Каждый узел процессора состоит из центра вакансий азота (NV). (дефект в решетке алмаза, состоящий из замещающего атома азота, примыкающего к вакансии) и кластера ядерных спинов: собственный ядерный спин азота и до ~ 4 соседних ядерных спиновых примесей 13C. Ядерные спины действуют как кубиты компьютера, в то время как NV-центры действуют как квантовые шины, которые обеспечивают инициализацию и считывание кубитов, а также операции с несколькими кубитами внутри и между узлами. Квантовые вычисления управляются с помощью радиочастотных, микроволновых, оптических и магнитных полей».

Сама по себе эта область не нова — действительно, квантовые кубиты при комнатной температуре используются экспериментально уже более 20 лет. Вклад Quantum Brilliance в эту область заключается в разработке того, как делать эти крошечные вещи точно и воспроизводимо, а также в миниатюризации и интеграции управляющих структур, необходимых для получения информации в кубитах и ​​из них — двух ключевых областей, которые удерживали эти устройств от масштабирования за пределы нескольких кубитов на сегодняшний день.

«Основное свойство, которое мы используем, — говорит сотрудник компании Марк Маттингли-Скотт, — это ядерное вращение, а не вращение электрона. Атому гораздо меньше важны тепловые колебания, например, чем электрону, поэтому мы можем запустить их при комнатной температуре. В вакансии азота есть дыра, и через нее мы можем взаимодействовать с кубитами. Существует несколько взаимодействий, поэтому мы фактически получаем потенциально несколько кубитов на вакансию».

Компания уже построила ряд «Quantum development kits» в стойках, каждый из которых содержит около 5 кубитов для работы, и уже размещает их у клиентов для сравнительного анализа, интеграции, возможностей совместного проектирования и предоставления компаниям возможности начать разработку, как только они выйдут на рынок в виде продукта на ~ 50 кубитов примерно к 2025 году. «Мы думаем, что через десять лет, мы сможем даже создать чип для мобильных устройств» — заявили в Quantum Brilliance.

Насколько хорошо они работают по сравнению с традиционными сверхпроводящими квантовыми компьютерами? «Очень хорошо», — говорит Мэттингли-Скотт. «Есть показатель качества, который вы можете применить к способности отдельных кубитов быть полезными, и это время когерентности. Сверхпроводящие кубиты обычно сохраняют свою когерентность, может быть, 100-150 микросекунд. В алмазах при комнатной температуре мы говорим о миллисекундах. Например, в тысячу раз больше, а это значит, что вы можете сделать намного больше. Это часть уравнения; другая часть — это частота ошибок. Кубиты, по сути, имеют частоту ошибок, даже до того, как они потеряют связность и опустятся в чистую случайность. Уровень ошибок, который мы получаем с кубитами с азотными вакансиями, очень и очень хорош».

Итак, когда же они достигнут легендарной вехи квантового превосходства, став более мощными, чем любой суперкомпьютер, в решении конкретных лабораторных тестов? В данном случае это не главное.

«У нас есть четкий пятилетний план создания того, что мы называем квантовой полезностью», — говорят исследователи. «Другие системы нельзя миниатюризировать, а мы можем. Так что для нас речь идет о создании квантового компьютера или квантового ускорителя, который превосходит классический компьютер того же размера, веса и мощности».

«Потенциальное влияние квантовых вычислений на бизнес, — говорит Маттингли-Скотт, — заключается в том, что они в корне изменят почти все, что мы делаем, и то, как мы это делаем. У меня была долгая 32-летняя карьера в IBM, и в течение последних пяти из них я руководил программой IBM Ambassador, по сути, каналом предпродажной подготовки и продаж технологий для квантовых вычислений. И я внимательно следил за тем, что происходило с Quantum Brilliance, потому что, если вы сможете исключить требование о криогенном охлаждении вашего компьютера, это полностью изменит ценностное предложение. Итак, в течение некоторого времени я наблюдал за Quantum Brilliance, и ни одна другая компания не работает над таким ценным предложением, как это. И когда появилась такая возможность, я присоединился к ним».

«Итак, с нашим пятилетним планом по созданию квантового ускорителя размером с видеокарту, — продолжает он, — существует множество неопределенностей и неизвестных переменных. Но мы не ждем никаких волшебных новых технологий. Здесь нет пробелов. Мы знаем, как добраться до этого устройства, нам просто нужно засучить рукава и сделать свою работу. И индустриализировать все, и повысить надежность, мощность и так далее. Но это, по сути, то, в чем полупроводниковая промышленность зарекомендовала себя очень хорошо, и мы будем использовать это. Так что я не могу назвать вам точные даты, но именно туда мы и направляемся, в индустриальный бизнес массового типа».

Источник: Quantum Brilliance