Компания Cisco объявила о создании прототипа специализированного сетевого квантового чипа для генерации запутанных фотонов. Изделие даёт возможность масштабировать квантовые системы и объединять квантовые процессоры в единую инфраструктуру для решения практических задач.

Квантовые компьютеры оперируют т.н. кубитами. С ростом количества кубитов число одновременно обрабатываемых значений стремительно увеличивается, что позволяет квантовым компьютерам решать определённые задачи с высочайшей производительностью, недоступной классическим компьютерам. Кубиты также могут обладать квантовой запутанностью, которая выражается в наличии особой корреляции между ними. Такое состояние невозможно в классических системах.

Источник изображений: Cisco

Проблема заключается в том, что стабилизировать кубиты крайне сложно. Из-за этого, как отмечает Виджой Панди (Vijoy Pandey), старший вице-президент инкубатора перспективных технологий Cisco Outshift, даже самые амбициозные планы по созданию квантовых компьютеров предполагают создание платформ, насчитывающих только несколько тысяч кубитов к 2030 году. Однако для того, чтобы квантовые вычисления стали действительно полезными, их необходимо масштабировать до миллионов кубитов. Решением может стать использование нового чипа «квантовой сетевой запутанности», созданного в сотрудничестве с Калифорнийским университетом в Санта-Барбаре (UCSB).

Изделие генерирует пары запутанных фотонов, которые обеспечивают мгновенную связь независимо от местонахождения посредством квантовой телепортации. Альберт Эйнштейн назвал это явление «жутким действием на расстоянии» (spooky action at a distance). Чип функционирует при комнатной температуре, он выполнен в виде миниатюрной фотонной интегральной схемы. Более того, он работает на стандартных для телеком-операторов длинах волн, т.е. может использовать существующую волоконно-оптическую инфраструктуру. Заявленное энергопотребление составляет менее 1 мВт. Производительность достигает 1 млн пар запутывания высокой точности на выходной канал или до 200 млн пар запутывания в секунду в расчёте на чип.

Таким образом, изделие может применяться для объединения множества квантовых компьютеров с небольшим количеством кубитов в единую распределённую систему. Иными словами, становится возможным создание масштабируемых квантовых дата-центров, способных координировать работу большого количества квантовых компьютеров и миллионов их кубитов для решения самых сложных проблем. При реализации такой концепции новый чип будет отвечать за надёжное взаимодействие квантовых систем друг с другом, где бы они ни находились.

Разработка является частью комплексных усилий Cisco по формированию будущего квантовых вычислений. В рамках инициативы компания объявила об официальном открытии лаборатории Cisco Quantum Labs в Санта-Монике (Калифорния, США), специалисты которой займутся дальнейшей разработкой технологий квантовых сетей.

Cisco ведёт исследования по двум основным направлениям: это квантовая сеть для квантовых систем и квантовая сеть для классических систем. В первом случае разрабатывается инфраструктура для объединения квантовых процессоров в единую масштабируемую систему, что позволит реализовать распределённые квантовые вычисления, квантовое зондирование и алгоритмы оптимизации: это даст возможность трансформировать критически важные научные области, такие как создание лекарственных препаратов следующего поколения, материаловедение и пр. В случае классического мира речь идёт об улучшении и расширении функциональности традиционных систем: например, могут обеспечиваться сверхточная синхронизация времени, сверхзащищённая связь и т.п.

Ирландский стартап Equal1, специализирующийся на квантовых вычислениях, анонсировал систему Bell-1 — это, по словам компании, первый в мире компактный квантовый сервер, построенный на кремниевом чипе. Устройство может быть легко интегрировано в существующие среды НРС для формирования платформ квантово-классических вычислений.

Equal1 отмечает, что современным квантовым компьютерам необходима специализированная инфраструктура, включающая отдельные помещения и сложные системы охлаждения. Но Bell-1 может быть развёрнут в виде стойки в существующем дата-центре.

Основой Bell-1 служит чип UnityQ с шестью кубитами — это так называемая квантовая система на кристалле (QSoC). Она объединяет все компоненты квантовых вычислений — средства измерения, управления, считывания и коррекции ошибок — в одном кремниевом процессоре, что, как утверждается, обеспечивает высокую точность и беспрецедентную мощность. Гибридная архитектура включает ядра Arm, ускорители ИИ и нейронные блоки. Говорится о возможности масштабирования до миллионов кубитов. Реализованный подход устраняет сложную оркестрацию между отдельными классическими и квантовыми вычислительными узлами.

Источник изображения: Equal1

Стоечная система Bell-1 работает от стандартной однофазной сети напряжением 110/220 В, а энергопотребление составляет 1600 Вт, что сопоставимо с высокопроизводительным сервером на базе GPU. Рабочая температура равна 0,3 К (-272,85 °C): для её поддержания применяется полностью автономная система, включающая интегрированный компрессор, криоохладитель и вакуумный насос. При этом температура окружающей среды может находиться в диапазоне от -15 до +45 °C. Габариты квантового сервера составляют 600 × 1000 × 1600 мм, масса — приблизительно 200 кг.

Equal1 утверждает, что Bell-1 знаменует собой начало эпохи реальных квантовых вычислений — Quantum Computing 2.0: это означает переход от экспериментальных машин к практическим квантовым решениям. До сих пор квантовые вычисления ограничивались преимущественно научно-исследовательскими институтами.

Компания Equal1, по её словам, меняет ситуацию, предлагая «первую коммерчески жизнеспособную квантовую систему», созданную для работы в существующих дата-центрах ИИ и HPC. Предприятия смогут использовать квантовые вычисления без изменения существующей инфраструктуры ЦОД. При этом устраняются барьеры высокой сложности и стоимости.

Итальянский суперкомпьютерный центр Cineca объявил о заключении соглашения с компанией IQM Quantum Computers на поставку самого мощного в стране квантового вычислительного комплекса. Речь идёт о системе IQM Radiance в конфигурации с 54 кубитами.

Cineca является одним из крупнейших вычислительных центров Италии. Некоммерческий консорциум состоит из 69 итальянских университетов и 21 национальной исследовательской организации. Своей задачей консорциум ставит поддержку итальянского научного сообщества путём предоставления суперкомпьютеров и инструментов визуализации.

Монтаж IQM Radiance планируется осуществить в IV квартале нынешнего года. Это будет первый локальный квантовый компьютер на площадке Cineca в Болонье. Суперкомпьютерный центр намерен использовать новую систему для оптимизации квантовых приложений, квантовой криптографии, квантовой связи и квантовых алгоритмов ИИ.

Источник изображения: IQM Quantum Computers

Комплекс IQM Radiance 54 будет интегрирован с вычислительной системой Leonardo, которая является одним из самых быстрых суперкомпьютеров в мире. В ноябрьском рейтинге TOP500 эта машина занимает девятое место с теоретической пиковой производительностью 306,31 Пфлопс. В основу суперкомпьютера положены платформы Atos BullSequana X2610 и X2135. Система построена в рамках сотрудничества EuroHPC, которое сейчас занято развёртыванием сети европейских квантовых компьютеров и ИИ-фабрик.

Компания IQM Quantum Computers основана в Хельсинки (Финляндия) в 2018 году. Она поставляет полнофункциональные квантовые компьютеры и специализированные решения для HPC, научно-исследовательских институтов, университетов и предприятий. Ранее IQM заявляла, что к выпуску готовится версия Radiance со 150 кубитами, которую планировалось представить в I квартале 2025 года.

Компания Pasqal объявила о том, что её квантовый компьютер на нейтральных атомах стал доступен через облачную инфраструктуру Microsoft Azure Quantum. Таким образом, исследовательские организации и заинтересованные предприятия смогут экспериментировать с квантовыми вычислениями без больших первоначальных инвестиций.

Квантовая платформа Pasqal использует нейтральные атомы для формирования кубитов. Такие атомы не имеют электрического заряда, благодаря чему слабо взаимодействуют с внешними электромагнитными полями, что позволяет улучшить стабильность.

Источник изображения: Pasqal

Каждый кубит в системе Pasqal реализован с помощью одного нейтрального атома, чьи электронные энергетические уровни соответствуют логическим «0» и «1». Атомы захватываются и манипулируются с помощью лазера, благодаря чему могут выполняться высокоточные квантовые операции. Квантовый компьютер Pasqal может функционировать при комнатной температуре, что выгодно отличает его от других машин, для работы которых требуется экстремальное охлаждение.

О том, какое количество кубитов используется в системе Pasqal в Microsoft Azure Quantum, ничего не сообщается. При этом отмечается, что решение на базе нейтральных атомов обладает хорошей масштабируемостью и высокой энергоэффективностью.

Компания Pasqal основана в 2019 году на базе Института оптики во Франции (Institut d’Optique). В число её соучредителей входит профессор Ален Аспе (Alain Aspect) — французский физик, специалист по квантовой оптике и квантовой запутанности. Он является лауреатом Нобелевской премии по физике 2022 года за эксперименты с запутанными фотонами. На сегодняшний день Pasqal привлекла более €140 млн финансирования.

Компании Rigetti Computing и Quanta Computer объявили о заключении соглашения о стратегическом сотрудничестве с целью ускорения разработки и коммерциализации квантовых вычислительных систем на основе сверхпроводящих кубитов.

Rigetti Computing, основанная в 2013 году, базируется в Беркли (Калифорния, США). Компания занимается созданием квантовых компьютеров. Благодаря фирменной платформе Quantum Cloud Services (QCS) такие машины могут быть интегрированы в любое публичное, частное или гибридное облако. В 2021 году Rigetti начала поставлять квантовые вычислительные системы для локальной установки: эти комплексы насчитывает от 24 до 84 кубитов.

В свою очередь, Quanta Computer основана в 1988 году. Этот тайваньский контрактный производитель серверов, ноутбуков и другой компьютерной техники оперирует производственными и сервисными центрами в Азии, Америке и Европе. Подразделение Quanta Cloud Technology, созданное в мае 2012 года, занимается поставками оборудования для дата-центров и облачных платформ.

Источник изображения: Rigetti Computing

В рамках соглашения Rigetti Computing и Quanta Computer сосредоточатся на своих взаимодополняющих технологиях для разработки сверхпроводящих квантовых вычислительных платформ. Каждая из компаний при этом в течение следующих пяти лет инвестирует в совместные проекты более $100 млн. Кроме того, Quanta Computer потратит $35 млн на покупку акций Rigetti Computing при условии получения соответствующего разрешения от регулирующих органов.

В совместном заявлении партнёров говорится, что индустрия квантовых вычислений продолжит демонстрировать быстрый рост, включая расширение коммерческого сектора. Объём этого рынка, как ожидается, достигнет $1–$2 млрд к 2030 г. При этом компании видят большой потенциал в области решений на основе сверхпроводящих кубитов.

Компания Pasqal поставила в Юлихский суперкомпьютерный центр в Германии (JSC) 100-кубитный квантовый компьютер на нейтральных атомах. Установка системы выполнена в рамках проекта HPCQS, реализуемого Европейским совместным предприятием по развитию высокопроизводительных вычислений (EuroHPC JU).

Инициатива HPCQS (High Performance Computer and Quantum Simulator hybrid) нацелена на интеграцию квантовых систем с европейской инфраструктурой суперкомпьютеров. Это, как ожидается, позволит создать мощную вычислительную платформу для решения сложных задач в различных областях, таких как здравоохранение, энергетика, автомобилестроение, финансы, торговля и кибербезопасность.

Источник изображения: Pasqal

Проект HPCQS поддерживается предприятием EuroHPC JU и шестью европейскими странами — Австрией, Францией, Германией, Ирландией, Италией и Испанией. Новая система станет частью Унифицированной инфраструктуры квантовых вычислений Юлиха (Jülich UNified Infrastructure for Quantum Computing, JUNIQ).

Система Pasqal использует нейтральные атомы для формирования кубитов. Такие атомы не имеют электрического заряда, благодаря чему слабо взаимодействуют с внешними электромагнитными полями — это позволяет улучшить стабильность. Атомы захватываются и манипулируются с помощью лазера, что даёт возможность проводить высокоточные квантовые операции. Кроме того, системы на базе нейтральных атомов относительно просто масштабируются.

В JSC комплекс Pasqal будет сопряжён с суперкомпьютером JURECA DC. Квантовый компьютер планируется применять для выполнения сложного моделирования в физике и химии, а также для квантового машинного обучения. Нужно отметить, что весной нынешнего года JSC получил 5-кубитную систему Spark немецко-финского производителя IQM Quantum Computers. Кроме того, ранее консорциум EuroHPC объявило о планах по созданию двух дополнительных квантовых компьютеров.

Инсбрукский университет имени Леопольда и Франца (UIBK) в Австрии объявил о том, что его НРС-комплекс LEO5 интегрирован с квантовый системой IBEX Q1 компании AQT. Таким образом, сформирован гибридный квантово-классический суперкомпьютер, который, как утверждается, открывает совершенно новые возможности для решения сложных научных и промышленных задач и создания вычислительных платформ следующего поколения.

Машина LEO5, запущенная в 2023 году, объединяет 63 узла, каждый из которых содержит два процессора Intel Xeon 8358 (Ice Lake-SP) с 32 ядрами. Применён интерконнект Infiniband HDR100. В состав 36 узлов входят ускорители NVIDIA — A30, A40 или A100. Производительность достигает 300 Тфлопс на операциях FP64 и 740 Тфлопс на операциях FP32.

Источник изображения: UIBK

В свою очередь, лазерная квантовая система IBEX Q1, разработанная специалистами AQT (дочерняя структура UIBK), не требует для работы экстремального охлаждения. Утверждается, что она может функционировать при комнатной температуре, а энергопотребление составляет менее 2 кВт. Квантовое оборудование размещено в двух кастомизированных стойках.

Проект по созданию гибридного суперкомпьютера реализован в рамках инициативы HPQC (High-Performance integrated Quantum Computing), финансируемой австрийским Агентством по продвижению и стимулированию прикладных исследований, технологий и инноваций (FFG). Новая платформа, как отмечается, создаёт основу для будущих гетерогенных инфраструктур, ориентированных на решение сложных задач.

«Успешная интеграция квантового компьютера в высокопроизводительную вычислительную среду знаменует собой важную веху для австрийских и европейских исследований и развития технологий в целом», — говорит Генриетта Эгерт (Henrietta Egerth), управляющий директор FFG.

В Суперкомпьютерном центре Лейбница (LRZ) Баварской академии наук заработал первый в Германии гибридный квантовый компьютер. Проект реализован консорциумом Q-Exa, в который входят разработчик квантовых платформ IQM Quantum Computers (IQM), а также Eviden и HQS Quantum Simulation.

В ходе работ 20-кубитная квантовая система была интегрирована с суперкомпьютером SuperMUC-NG. Последний базируется на серверах Lenovo ThinkSystem SD650-I V3 Neptune DWC с прямым жидкостным охлаждением. Установлены 240 узлов, в состав которых входят в общей сложности 480 процессоров Intel Xeon Platinum 8480L и 960 ускорителей Data Center GPU Max. Производительность комплекса достигает 17,19 Пфлопс (FP64).

Источник изображения: IQM

В квантовой части кубиты генерируются с помощью сверхпроводящих цепей. Платформа закладывает основы для исследований и дальнейшего развития квантовых вычислений, а также для ускорения высокопроизводительных вычислений с помощью квантовых чипов (QPU). В настоящее время гибридная система готовится к повседневной эксплуатации, и в скором времени доступ к ней будет предоставлен некоторым исследовательским коллективам.

Среди ключевых характеристик платформы названы: 20-кубитный квантовый процессор; состояние квантовой запутанности Гринбергера — Хорна — Цайлингера для 19 кубитов без устранения ошибок чтения; полностью запутанное состояние GHZ для 20 кубитов с компенсацией ошибок. Средняя точность двухкубитного вентиля составляет 99,46 % для 30 пар кубитов, а максимальная точность для одной пары достигает 99,74 %.

Говорится также, что специалисты LRZ и партнёрских учреждений Мюнхенской квантовой долины (Munich Quantum Valley) разработали прототип Мюнхенского квантового программного стека (MQSS). Он помогает встроить квантовые вычисления в рабочие процессы традиционных суперкомпьютеров. Софт будет доступен исследователям в виде продукта с открытым исходным кодом.

Стартап Quantum Machines, разработчик систем управления квантовыми компьютерами, открыл Израильский центр квантовых вычислений (Israeli Quantum Computing Center, IQCC). Площадка, создание которой было частично профинансировано правительством страны, располагается в Тель-Авивском университете. По словам основателей, это первый в мире центр, располагающий квантовыми компьютерами разных типов, которые интегрированы с системой NVIDIA DGX Quantum, HPC-инфраструктурой и облаком.

Источник изображений: Quantum Machines

Приоритетный доступ со скидкой получат исследовательские организации Израиля, но в целом центр будет открыт для компаний со всего света. Как говорят создатели, IQCC — это лучший в мире полигон для создания новых технологий в области квантовых вычислений, а открытая архитектура площадки позволяет регулярно проводить обновления и упрощает дальнейшее масштабирование возможностей и вычислительных мощностей.

Сейчас в IQCC установлены 21-кубитный компьютер Galilee от Quantware на сверхпроводящих кубитах (ещё один такой же используется в качестве тестовой платформы) и фотонный компьютер Negev от ORCA (8 кумод). Системы управляются контроллерами OPX1000 от самой Quantum Machines. HPC-инфраструктура представлена DGX A100, четырьмя GH200 и 128 vCPU на базе AMD EPYC 9334 (Genoa). Дополнительные ресурсы можно арендовать в облаке AWS.

Для Galilee и Negev доступна интеграция с DGX Quantum, платформой для гибридных квантово-классических вычислений, которая была создана NVIDIA и Quantum Machines и впервые в мире развёрнута именно в IQCC. Управлять компьютерами и разрабатывать ПО можно с использованием Qiskit, QUA, OpenQASM3, QBridge, а также Classiq. К системе организован облачный доступ. В ближайшие месяцы в IQCC будут развёрнуты ещё несколько квантовых компьютеров и QPU.

Компания NVIDIA сообщила о том, что её платформа CUDA-Q будет использоваться в суперкомпьютерных центрах по всему миру. Она поможет ускорить исследования в области квантовых вычислений, что в перспективе позволит решать наиболее сложные научные задачи.

Технология CUDA-Q предназначена для интеграции CPU, GPU и квантовых процессоров (QPU) и разработки приложений для них. Она даёт возможность выполнять сложные симуляции квантовых схем. О намерении использовать CUDA-Q в составе своих НРС-систем объявили организации в Германии, Японии и Польше.

В частности, Юлихский суперкомпьютерный центр в Германии (JSC) намерен использовать квантовое решение производства IQM Quantum Computers в качестве дополнения к Jupiter — первому европейскому суперкомпьютеру экзафлопсного класса. Этот комплекс будет смонтирован в Юлихском исследовательском центре (FZJ). Суперкомпьютер Jupiter получит приблизительно 24 тыс. гибридных суперчипов NVIDIA GH200 Grace Hopper.

Источник изображений: NVIDIA

Ещё одной гибридной системой, объединяющей классические и квантовые технологии, станет комплексе ABCI-Q, который расположится в суперкомпьютерном центре ABCI (AI Bridging Cloud Infrastructure) Национального института передовых промышленных наук и технологий Японии (AIST). В состав суперкомпьютера войдут QPU разработки QuEra, а также более 2000 ускорителей NVIDIA H100. Ввод ABCI-Q в эксплуатацию состоится в начале 2025 года. Применять систему планируется при проведении исследований в области ИИ, энергетики, биологии и пр.

Вместе с тем Познаньский центр суперкомпьютерных и сетевых технологий (PSNC) в Польше приобрёл две квантовые вычислительные системы британской компании ORCA Computing. Они интегрированы в существующую HPC-инфраструктуру PSNC, которая в числе прочего использует изделия NVIDIA Hopper. Узлы на базе QPU помогут в решении задач в области химии, биологии и машинного обучения.