Учёные из Великобритании успешно соединили два отдельных квантовых процессора, проложив путь к созданию глобального квантового интернета и, потенциально, к взрывному росту квантовых суперкомпьютеров. Увеличение числа квантовых битов (также известных как кубиты) в одном устройстве оказалось сложной задачей, поскольку квантовые компьютеры «шумные» — они чувствительны к любым помехам (от тепла, движения или электромагнетизма), а поэтому выходят из строя гораздо чаще, чем биты в классических вычислениях. Чем больше кубитов в одном таком сложнейшем устройстве, тем сложнее становится система и тем больше риск декогеренции (потери квантовой информации), а значит тем больше нужно ресурсов, необходимых для предотвращения ошибок. Вот почему учёные сейчас сосредотачиваются на создании более надёжных кубитных модулей небольшого «объёма», прежде чем масштабировать системы до миллионов кубитов, необходимых для действительно полезных грандиозных супер-задач.
Архитектура распределённых квантовых вычислений (DQC) решает эту проблему, позволяя выполнять большие высоконагруженные вычисления с помощью сети квантовых процессорных модулей. Каждый модуль содержит относительно небольшое количество кубитов и соединён, как через классические, так и через квантовые информационные каналы с другими похожими юнитами. Сохраняя пониженную сложность отдельных модулей и преобразуя задачу масштабирования в задачу создания большего количества модулей с установлением надёжного интерфейса между ними, архитектура обеспечивает масштабируемый подход к отказоустойчивым квантовым вычислениям. Однако потери в соединяющих квантовых каналах приведут к необратимой потере этой информации своеобразного типа. Новый способ передачи данных такого рода, предлагает альтернативный интерфейс, работающий без потерь, используя только двудольную запутанность (например, состояния Белла). Она совместно используется модулями, вместе с локальными операциями и классической коммуникацией — для эффективной замены прямой передачи подготовленных данных.
Протоколы такой «телепортации» не зависят от физической реализации квантовых каналов, что делает их универсальным инструментом для передачи на разных платформах. В архитектуре квантового прибора зарядовой связи с захваченными ионами (QCCD) кубиты могут динамически транспортироваться между модулями в пределах одного чипа (или даже между чипами). Фотоны, однако, являются естественными носителями квантовой информации, поскольку они могут перемещаться на большие расстояния без существенного ухудшения своего состояния. Фотонные межюнитовые соединения обеспечивают связь «всех-со-всеми» в среде кубитов, распределённых по сети, топология которой может динамически перенастраиваться (даже без необходимости нарушать изолированность сложных вакуумных и/или криогенных систем). Более того, оптические компоненты широко доступны и могут работать в условиях окружающей среды. Эти свойства делают фотонные межблочные соединения особенно привлекательными для сетевых квантовых вычислительных модулей.
В исследовании, опубликованном 5 февраля 2025 года, учёные предложили обойти проблему масштабируемости, соединив отдельные квантовые процессоры вместе с помощью существующих оптоволоконных кабелей, тем самым увеличив количество доступных кубитов. Это важный шаг в демонстрации возможности распределённых квантовых вычислений (DQC), при которых квантовые процессоры объединяются в единую сеть для выполнения совместных вычислений. Такая связь позволит нескольким квантовым процессорам работать вместе для решения все более сложных задач за гораздо меньшее время, чем это потребовалось бы классическим суперкомпьютерам. Разработчики описали, как они соединили два квантовых процессора — названных Алисой и Бобом (не путать с компанией квантовых вычислений Alice & Bob) — с помощью фотонного сетевого интерфейса (оптические волокна). Отправка квантовых алгоритмов через фотонный сетевой интерфейс позволила двум квантовым процессорам совместно использовать ресурсы и работать, как единое целое.
Распределённые вычисления будущего
Соединив два процессора таким образом, исследователи также смогли передавать фотоны вместе с квантовой информацией и, впервые, квантовым алгоритмом. Такие алгоритмы являются вычислительными функциями, которые позволяют квантовым компьютерам решать проблемы устойчивой работы, которая может быть востребована для создания центров обработки данных нового поколения. Они были разделены посредством использования явления квантовой запутанности между фотонами. Квантовые процессоры также смогли работать вместе над тестовой задачей, используя алгоритм поиска Гровера (алгоритм, предназначенный для поиска «иголки в стоге сена»). Такие свойства необходимы для поиска определённой информации в больших массивах неотсортированных разрозненных данных.
Этот прорыв является ключом к решению проблемы масштабируемости в квантовых вычислениях. Вместо одной машины, содержащей миллионы кубитов, что было бы массивным и громоздким сооружением, новая технология позволяет распределять вычисления по множеству меньших процессоров. Используя небольшие модули захваченных ионных кубитов, соединённых оптическими кабелями, технология позволяет связывать кубиты в единые сети. Дополнительным преимуществом соединения процессоров в системе DQC является простота обслуживания, поскольку модули можно модернизировать или заменять, не нарушая работу остальной части системы. Поскольку между двумя квантовыми процессорами был зазор всего в 2 метра, будущие испытания этой технологии должны будут расширить рабочее расстояние, чтобы гарантировать, что соединение остаётся стабильным на гораздо больших расстояниях. Квантовые повторители, которые увеличивают диапазон, на котором может передаваться информация, также могут быть включены в будущие системы.
Добавление большего количества квантовых процессоров предоставит ещё одно доказательство того, что архитектура DQC станет жизнеспособным решением для создания квантовых суперкомпьютеров. Во многом так же, как сегодняшние суперкомпьютеры представляют собой сотни классических серверов, объединённых вместе, теоретически возможно создать квантовый суперкомпьютер, связав небольшие вычислительные устройства на огромных расстояниях. В качестве доказательства концепции эксперимент показал, что DQC является жизнеспособным. Он также создаёт основу для безопасного квантового интернета, который может обеспечить более безопасный метод передачи информации, поскольку квантовые процессоры в разных местах могут использоваться для построения безопасной сети связи. Кроме того, модули разных платформ могут быть соединены посредством преобразования длины волны, что позволяет создать гибридную платформу такой архитектуры. Более того, протоколы не ограничиваются кубитами — они могут быть расширены до моделей квантовых вычислений более высокого порядка, таких как кудиты и вычисления с непрерывными переменными, что позволяет этим платформам извлечь выгоду из этого открытия. Технология квантовых повторителей позволит обеспечить большое физическое разделение между модулями квантовой обработки, тем самым прокладывая путь для развития квантового интернета.
