Новая эра квантовых вычислений: мощность в разы меньшая энергоемкость и скорость невероятные

Обратимся сразу к сути: на сегодняшний день существующие суперкомпьютеры — мощнейшие вычислительные системы, способные решать сложнейшие задачи, требуют огромных затрат энергии и пространства. Например, для выполнения одного сложного симуляционного моделирования физико-химических процессов в молекулярной динамике используется энергия, сопоставимая с потреблением нескольких домов на целый день. Однако буквально за несколько лет в области научных технологий появился прорыв, который способен кардинально изменить ландшафт вычислительной техники — это новая квантовая машина, разработанная канадским стартапом Nord Quantique, которая по своим характеристикам значительно превосходит существующие решения.

Что такое новая квантовая архитектура и почему она важна?

Классические квантовые компьютеры требуют огромных массивов физических кубитов, зачастую сотен или тысяч, — каждый из которых подвержен ошибкам в процессе работы. Для обеспечения их надежности нужны сложнейшие системы коррекции ошибок, что значительно увеличивает габариты и энергопотребление устройств. В итоге, для построения крупной и исправной квантовой системы приходится обустраивать целые дата-центры.

Решение от Nord Quantique кардинально меняет этот подход. Разработчики создали так называемый «бозонный кубит» с встроенной системой коррекции ошибок, что устраняет необходимость в огромных кластерах физических кубитов. В основе лежит уникальная архитектура, которая позволяет соединять физический и логический уровни внутри одного компонента — физического кьюбита — без необходимости множества физических элементов. Это не просто шаг вперед, а начало новой эпохи, которую ученые называют «первым в прикладной физике» прорывом.

Технические детали: как работает новая квантовая архитектура?

Главный элемент системы — это сверхпроводящий алюминиевый резонатор, известный как бозонный резонатор, охлажденный 거의 до абсолютного нуля — около -273°C. Внутри этого резонатора находятся фотоны, которые кодируют квантовую информацию в форме electromagnetic-режимов. Эти режимы, или «моды», представляют собой разные способы резонанса электромагнитных волн внутри резонатора, что позволяет одновременно передавать и обрабатывать несколько потоков информации.

Использование нескольких режимов внутри одного физического компонента дает возможность распределять информацию и автоматически выявлять возможные интерференции или сбои. Если один из режимов поврежден, остальные сохраняют целостность данных, а встроенные алгоритмы позволяют восстановить исходное состояние без внешней коррекции ошибок. Такой подход — multimode encoding — позволяет снизить число физических кубитов, необходимых для формирования одного логического кубита, до одного, что значительно уменьшает размеры и энергопотребление системы.

Преимущества новой архитектуры: мощность и энергоэффективность

Эксперты оценили, что квантовая машина на базе этой технологии, с 1000 логическими кубитами, сможет занимать всего около 20 квадратных метров — меньше стандартного офисного помещения, и потреблять меньшую часть энергии, чем современные системы. В качестве наглядного примера приводится возможность взлома RSA-ключа длиной 830 бит за час работы — при этом затраты энергии не превысят 120 киловатт-часов. Для сравнения, обычный суперкомпьютер для подобной задачи понадобится примерно девять дней работы и около 280 000 киловатт-часов электроэнергии.

«Количество физических кубитов, необходимых для обеспечения надежной коррекции ошибок, всегда было основным барьером для развития квантовых систем. Наша архитектура с мультимодной кодировкой позволяет построить устройства с отличной коррекцией ошибок, но без необходимости в сотнях физических элементов», — заявил генеральный директор Nord Quantique Жюльен Камиран Лемир.

Еще один ключевой аспект — использование так называемого Tesseract-кода, или кода Tesseract, который защищает квантовые биты от распространенных ошибок, таких как флипы битов, фазы и «уход за границы» (leakage). Этот последний эффект особенно трудно исправлять, поскольку он сдвигает квантовую систему за пределы ожидаемых состояний, делая автоматическую коррекцию сложнее, однако новая архитектура успешно минимизирует такие риски.

Практическое применение и перспективы

На сегодняшний день уже создан прототип — «bosonic qubit», интегрированный в устройство, которое встроено прямо в аппаратное обеспечение с возможностью исправления ошибок. Испытания показали, что это устройство устойчиво держит состояние в течение 32 раундов коррекции без заметных сбоев, что дает надежду на создание полноценной крупной квантовой системы.

К 2029 году Nord Quantique планирует запустить квантовый компьютер с 100 логическими кубитами. А к 2031 году — полноценную систему на тысячу логических кубитов, которая сможет решать практические задачи в области материаловедения, фармацевтики, криптографии и оптимизации. При этом она будет отличаться компактностью и низким энергопотреблением — особенно важным в условиях растущих затрат на электроэнергию, например, в российских дата-центрах.

Заключение: революция в вычислительной технике уже близко

Инновационная архитектура Nord Quantique означает не просто очередной шаг вперед, а полноценный скачок — возможность создания квантовых компьютеров, которые не только будут более мощными, но и энергоэффективными. Это позволит снизить стоимость эксплуатации таких систем и сделать их доступными для гораздо более широкого круга задач и организаций. В будущем мы можем увидеть, как квантовые расчеты начнут применяться для компрометации современных криптографических протоколов, моделирования новых материалов или оптимизации логистики — все это уже не кажется фантастикой, а реальной перспективой.

Наука продолжает идти по пути объединения теоретических открытий и инженерных решений, и именно такие проекты показывают, что будущее технологий — за тихой, но мощной революцией в области квантовых вычислений.