Инженеры НАСА провели встречу с представителями прессы, продемонстрировав им квантовый компьютер D-Wave 2X, установленный в суперкомпьютерном центре космического агентства в Кремниевой долине. Специалисты НАСА и Google пользуются созданной компанией D-Wave Systems машиной для изучения возможностей квантовых систем. Кроме того, НАСА через Интернет предоставляет доступ к D-Wave 2X исследователям в научных учреждениях, как и к другим своим суперкомпьютерам.

Сотрудники НАСА с готовностью говорили о возможностях D-Wave 2X, но отказались подробно обсуждать меры безопасности, принятые, чтобы не подпустить хакеров к квантовой системе. В НАСА сообщили, что компьютер «находится за различными межсетевыми экранами, а доступ к нему защищен с помощью аппаратных ключей RSA». По словам специалистов агентства, они прекрасно осознают, что злоумышленники проявляют большой интерес к системам НАСА. При этом в агентстве сообщили, что «процессы, регламентирующие доступ к нашим системам, очень строгие», но обсуждать подробности отказались. Модератор пресс-конференции пресек дальнейшие вопросы, заявив, что данную тему «можно будет обсудить позднее, но не в этот раз».

Лос-Аламосская национальная лаборатория министерства энергетики США (LANL) приобрела у компании D-Wave Systems квантовый компьютер D-Wave 2X. До сих пор только два квантовых компьютера D-Wave в мире были установлены за пределами компании, и исследователи из Лос-Аламоса работали с обеими системами.

Компьютеры D-Wave пока не являются полнофункциональными квантовыми компьютерами, и их необходимо специально приспосабливать для решения конкретных задач. Квантовые компьютеры строятся на элементах под названием кубиты, или квантовые биты. В компьютере D-Wave 2X их больше тысячи. Благодаря квантовым эффектам кубиты могут одновременно находиться в нескольких состояниях, а компьютер может выполнять одновременно несколько операций. Однако кубиты еще не удается сделать достаточно стабильными. В Лос-Аламосе планируют продолжать исследования в области материалов, конструкции схем и методов коррекции ошибок, необходимых для создания работоспособных квантовых компьютеров.

Основные расчеты в лаборатории будут по-прежнему вестись на суперкомпьютерах. В будущем году в лаборатории планируется запустить новый суперкомпьютер Trinity.

Стороны сообщили, что недавно были проведены установка и ввод в эксплуатацию новой системы D-Wave — компьютера 2X, имеющего квантовый процессор из тысячи с лишним кубитов. Как утверждают в D-Wave, такой процессор позволяет системе «оценивать одновременно 2¹⁰⁰⁰ возможных решений, выбирая оптимальное — это больше вероятных вариантов, чем число частиц в обозримой Вселенной».

Квантовые биты могут находиться в нескольких состояниях одновременно, что теоретически позволяет выполнять параллельно гораздо больше вычислений, чем сейчас. Сложность в том, что кубитам D-Wave для работы нужны экстремально низкие температуры, около абсолютного нуля.

Скептики долгое время считали машину D-Wave гигантской фальсификацией, однако предыдущие модели квантового компьютера были приобретены НАСА и USRA — в целях оценки применимости для широкого круга задач — и компанией Lockheed Martin. В 2014 году в Google сообщили о намерении создать собственный квантовый процессор.

Исследователи из IBM разработали технологию коррекции ошибок, призванную обеспечить целостность вычислений с использованием кубитов, или квантовых битов – основы квантовых вычислений. «Как и при обычных вычислениях, выявление и исправление ошибок данных – ключевой шаг к созданию полнофункционального квантового компьютера», – объявил менеджер группы квантовых вычислений и обработки информации IBM Джей Гамбетта.

Квантовые вычисления рассматриваются в качестве расширения традиционных границ применения компьютерных систем. Компания D-Wave Systems уже создала квантовый компьютер специального назначения, который может оказаться полезным для решения специализированных задач. В IBM хотят построить большой, «универсальный» квантовый компьютер, способный, подобно ПК и серверам, выполнять широкий круг приложений.

Сложность квантовых вычислительных систем и неустойчивость взаимодействия кубитов выводят коррекцию ошибок в ряд наиболее важных, но вместе с тем и сложных задач. В настоящее время исследователям удалось добиться результатов на ограниченном наборе кубитов, но в перспективе ставится задача перенести технологию коррекцию ошибок и на более крупные системы.

«Сейчас мы подошли к рубежу, когда нужно объединить имеющиеся наработки и перевести компьютеризацию в практическую плоскость, – указал Гамбетта. – Ближайшие несколько лет обещают быть очень интересными».

Переход к квантовым компьютерам – это один из путей дальнейшего развития вычислительной техники. Повышать вычислительную мощность и компактность процессоров, используя кремний и традиционные технологии, становится все труднее. Приходится учитывать физические и экономические ограничения. В квантовых компьютерах используются компоненты, которые отличаются от тех, что присутствуют в обычных компьютерах.

Обычные компьютеры предсказуемы по своей природе. Представление данных в виде нулей и единиц осуществляется здесь с помощью электрических транзисторов. Кубиты же используют свойства внутриатомных частиц. Перевод их в различные состояния подчинен законам квантовой механики. В отличие от обычного бита, который может содержать нуль или единицу, в кубите возможно хранение нуля и единицы одновременно. Такая технология, называемая суперпозицией, позволяет квантовым компьютерам выполнять множество вычислений параллельно, благодаря чему их вычислительная мощность заметно выше, чем у обычных компьютеров.

По оценкам Гамбетты, универсальному квантовому компьютеру может понадобиться 100 млн кубитов. Пока же в новейшем квантовом компьютере D-Wave Two, предназначенном для решения специальных задач, имеется 512 кубитов.

Между тем предсказать поведение и состояние кубитов после начала их взаимодействия в процессе обработки данных довольно сложно. Согласно теории квантовой механики, изучающей взаимодействие и поведение вещества на атомном и субатомном уровне, спрогнозировать, в каком состоянии — нуля или единицы — будет находиться кубит при проведении конкретных вычислений, невозможно. Кроме того, состояние кубитов может меняться под влиянием электромагнитного излучения, что в конечном итоге приводит к нарушению вычислительных циклов и к ошибкам в данных.

IBM проектирует квантовый компьютер подобно зданию. Строительные блоки – в данном случае массивы кубитов – выстраиваются горизонтально и вертикально. Сегодня в IBM научились одновременно распознавать ошибки данных различного рода в квадратном массиве из четырех кубитов. Ранее такое считалось невозможным. Распознаются, в частности, ошибки смены бита, когда ячейка памяти из состояния нуля переходит в состояние единицы или наоборот (то же самое возникает и в обычных чипах), а также ошибки смены фазы, характерные для суперпозиции кубитов.

Коррекция ошибок тестировалась на схеме из четырех кубитов в решетчатой структуре, которую IBM выстроила впервые. Благодаря возможности одновременно обнаруживать ошибки смены битов и смены фазы теперь можно связывать решетчатые структуры друг с другом для построения более крупного компьютера. А это имеет очень важное значение для масштабирования и повышения производительности.

«Теперь нам нужно взять этот квадрат и продемонстрировать умение распознавать и исправлять ошибки в больших масштабах», – отметил Гамбетта.

Назвать сроки появления универсального квантового компьютера Гамбетта отказался, он лишь указал, что исследователям предстоит пройти еще очень долгий путь и приложить немало усилий. В прошлом году в IBM заявили о намерении инвестировать в течение ближайших пяти лет в исследования, направленные на разработку квантовых компьютеров и когнитивных систем, 3 млрд долл.

Однако скорого появления квантового компьютера ждать не стоит. Квантовые компьютеры, по всей вероятности, будут применяться для масштабного моделирования при разработке лекарств и изучении окружающей среды. Сегодняшним суперкомпьютерам на решение таких задач понадобятся годы. «А проверять электронную почту и просматривать веб-страницы пользователи по-прежнему будут на обычных компьютерах, даже после появления квантовых», – подчеркнул Гамбетта.

Материалы исследований были опубликованы в журнале Nature Communications 29 апреля. Часть исследовательских работ финансируется правительственным агентством Соединенных Штатов Intelligence Advanced Research Projects Activity. Агентство финансирует также проектирование новых сверхпроводящих полупроводников, являющихся важным компонентом квантового компьютера.

Ученые Университета Твенте и Технического университета Эйндховена разработали метод защиты банковских карт, удостоверений личности и не только, основанный на принципах квантовой механики. Свой подход они назвали «квантово-защищенной аутентификацией».

Исследователи покрыли кредитку тонким слоем белой краски с миллионами наночастиц. При попадании света он многократно отражается от них, создавая уникальную картину, зависящую от расположения частиц. Для аутентификации банкомат освещает краску световым импульсом с характеристиками, уникальными для каждой транзакции. Если в ответ регистрируется верная картина отражения, аутентификация считается успешной. Запрос высокой сложности можно сгенерировать с использованием ограниченного количества фотонов или даже всего с одним. Защита основывается на том, что любая попытка перехватить запрос и ответ между ридером и картой разрушит передаваемую информацию.

Как объясняют исследователи, изготовить копию такой карты нереально — наночастицы слишком малы и их слишком много, чтобы в точности повторить их расположение. По оценке разработчиков, стоить считывающее устройство будет около 1000 долл.; все компоненты для него — лазеры, проекторы и т. д. — уже доступны. Вместо нестабильной краски предполагается использовать белую керамику.

Материалы, характеризующиеся квантовым спиновым эффектом Холла, обладают особым свойством — в толще это изоляторы, а по краям они имеют высокую проводимость. По мнению многих исследователей, благодаря этому такие материалы хорошо подходят на роль основы для квантовых электронных устройств нового типа. Но на сегодня были синтезированы лишь два подобных материала, к тому же у них есть определенные недостатки — узкая запрещенная энергетическая зона и отсутствие возможности быстро «включать» и «отключать» эффект Холла.

Теоретический анализ, проведенный исследователями из Массачусетского технологического института, показал что дихалькогениды переходных металлов — соединения молибдена либо вольфрама с селеном, теллуром или серой, — обладают квантовым спиновым эффектом Холла, который можно быстро включать и отключать под действием электрического поля, причем для этого не нужны сверхнизкие температуры, как для ранее полученных материалов.

Такие соединения, естественным образом образующие тонкие пласты толщиной в несколько атомов, ученые предлагают использовать в основе транзистора нового типа, — топологического полевого (topological field-effect transistor, TFET). Исследователи считают, что такие транзисторы можно было бы размещать на кристалле очень плотно, и несмотря на это они будут работать с очень низкой утечкой тока.

По мнению ученых, на основе изученных ими материалов также можно было бы создавать спинтронные устройства — элементы, в которых в качестве носителя информации используется спин электронов, а не заряд. Кроме того исследователи считают, что такие соединения очень перспективны с точки зрения использования в квантовых компьютерах.