Миллион фотонов, ноль заморозки — Cisco придумала квантовый суперклей для интернета будущего

Исследования в области квантовых компьютеров наконец-то начали приносить ощутимые результаты после десятилетий теоретических обсуждений. За последние месяцы сразу несколько технологических гигантов представили революционные разработки: Google, Amazon Web Services и Microsoft создали специализированные чипы, способные эффективно исправлять ошибки вычислений. Последняя корпорация особенно оптимистична — её процессор Majorana, по заявлениям разработчиков, приближает эру надёжных квантовых систем с горизонта десятилетий до нескольких лет.

В перспективную гонку включились и другие компании. NVIDIA развивает направление искусственного интеллекта в этой области, позиционируя себя как универсальную платформу для новых технологий. D-Wave приступила к продаже систем на основе квантового отжига, тогда как раньше подобные устройства были доступны только через облачный сервис Advantage.

Группа Engineering Quantum Systems в MIT разработала сверхпроводящую схему под названием "квартонный соединитель". Уникальное устройство позволит процессору действовать достаточно быстро, чтобы успевать корректировать ошибки до того, как хрупкие кубиты — квантовые носители информации — потеряют своё состояние.

А совсем недавно, на этой неделе, Cisco Systems продемонстрировала прототип чипа квантового запутывания, созданный совместно с Калифорнийским университетом в Санта-Барбаре. Параллельно компания открыла научный центр Cisco Quantum Labs в Санта-Монике.

Разработка Cisco может кардинально изменить облик квантовых вычислений. Сегодня эти компьютеры представляют собой громоздкие установки размером с комнату, а на фотографиях напоминают причудливые люстры из-за множества свисающих сверху кабелей и трубок систем охлаждения. Однако будущее технологии видится иначе: вместо единого массивного устройства появится сеть небольших квантовых процессоров, работающих как единое целое. Принцип уже доказал свою эффективность в современных дата-центрах, где тысячи обычных машин объединяются в мощные облачные системы.

Сейчас мы можем оперировать лишь десятками или сотнями кубитов, хотя для решения практических задач их понадобятся миллионы, — объясняет Виджой Пандей, старший вице-президент исследовательского подразделения Outshift. — История классических компьютеров уже показала выход из подобной ситуации: вместо наращивания мощности отдельных машин мы научились объединять множество небольших устройств в единую сеть. Как громоздкие вычислительные комплексы прошлого уступили место компактным решениям, так и будущее квантовых технологий лежит не в создании гигантских установок. Мы делаем ставку на распределённые квантовые центры, где множество процессоров будут работать как единое целое благодаря специальным каналам связи.

Центральную роль в создании распределённой среды играет феномен запутанности — уникальное свойство квантовой механики, при котором частицы сохраняют взаимосвязь независимо от дистанции между ними. В отличие от обычных битов информации, способных принимать только значения 0 или 1, запутанные кубиты существуют в суперпозиции состояний, что делает подобные системы многократно эффективнее классических машин.

Рамана Компелла, руководитель исследовательского отдела, и Реза Неджабати, глава квантовых разработок Cisco, раскрыли параметры инновационного устройства. Чип задействует процесс спонтанного четырехволнового смешения в полупроводниковых волноводах на кремниевой основе. Такая архитектура позволяет генерировать более миллиона пар запутанных фотонов в секунду на каждый канал, а суммарная производительность достигает 200 миллионов пар за единицу времени.

Новая технология демонстрирует точность в 99 процентов при сохранении квантовых состояний. При этом энергопотребление не превышает одного милливатта, а функционирование возможно при обычной температуре без специальных систем охлаждения. Инженеры также разместили несколько источников запутанных частиц на едином кристалле, открыв возможности для создания многопользовательских сетей.

А самое главное преимущество — совместимость с действующей оптоволоконной инфраструктурой. Используя этот чип как основу, Cisco планирует сформировать полноценную квантовую среду с обновлёнными версиями привычных сетевых элементов: коммутаторов и интерфейсных плат.

Передача квантовой информации требует принципиально иных компонентов, работающих на уровне базовых физических принципов, — объясняют специалисты компании. — Невозможно просто перевести данные в цифровой формат, как в традиционных сетях. Необходимо сберечь особые свойства на всём маршруте передачи, что подразумевает уникальное оборудование, программное обеспечение и протоколы.

Будущие коммутаторы станут использовать особые волноводы для маршрутизации квантовых состояний без измерений и наблюдений, способных нарушить неустойчивую структуру из-за внешних воздействий — шума, света или вибрации. Сетевые адаптеры обеспечат универсальное подключение различных чипов, а специальный компилятор займётся распределением алгоритмов между вычислительными узлами.