Европейские учёные разрабатывают квантовые компьютеры с использованием света и стекла. Это сотрудничество обещает прорывы в вычислительной мощности, технологии аккумуляторов и научных открытиях.
Джулия Акконсиа выросла в живописном историческом городе Сполето, расположенном у подножия итальянских Апеннин. Уже в средней школе она увлеклась современными технологиями — страстью, которая определила её будущее.
Её любовь к электронике привела её в Политехнический университет Милана, где она сейчас находится в авангарде исследований в области квантовых вычислений.
В отличие от компьютеров и смартфонов, которые мы используем каждый день и которые полагаются на кремниевые чипы и движущиеся электроны, фотонные квантовые компьютеры используют силу световых частиц, или фотонов, для обработки информации с поразительной скоростью.
Квантовые компьютеры обещают быть намного быстрее, чем сегодняшние устройства
Квантовые компьютеры обещают быть намного быстрее, чем сегодняшние устройства, и способны решать сложные задачи, которые в настоящее время ставят в тупик даже самые продвинутые машины. Но эта технология сталкивается со значительными препятствиями, прежде чем начнёт приносить коммерческую выгоду, над решением которых работают несколько фирм и исследовательских организаций по всему миру.
Несмотря на трудности, прогресс идёт вперёд. «Мы наблюдаем большой прогресс за последние два-три года, темпами, которых никто не ожидал», — сказал физик-теоретик Андреа Роккетто.
Он является соучредителем итальянской компании Ephos, участвующей в совместной исследовательской инициативе под названием QLASS, которую координирует Акконсиа. Инициатива, управляемая Fondazione Politecnico di Milano, объединяет команду исследователей из ведущих исследовательских центров и малого и среднего бизнеса во Франции, Италии и Германии. Они стремятся улучшить квантовые характеристики, используя свойства стекла.
Их миссия — использовать стеклянные чипы, созданные Ephos, для разработки фотонного квантового компьютера. Чипы, производимые Ephos, используют свет, а не электричество, для обработки информации. Они имеют до 200 реконфигурируемых оптических режимов, что позволяет им динамически регулировать распространение света по чипу.
Но работа со светом в таком крошечном масштабе — непростая задача. «Вам нужно использовать материалы, которые могут передавать свет. Это сложно, потому что вам нужно удерживать свет, но избегать поглощения», — сказала Акконсиа. «Если он поглощается, он не будет распространяться».
Исследователи QLASS разрабатывают машину, которая могла бы преодолеть эти проблемы. Их цель — генерировать одиночные фотоны и направлять их через стеклянные схемы — что может помочь решить реальные проблемы, такие как разработка более совершенных аккумуляторов, открытие новых лекарств или даже разгадка тайн Вселенной.
Одним из их наиболее перспективных нововведений является лазерная запись в стекле — передовая технология, разработанная Ephos, которая может помочь квантовым технологиям достичь новых высот.
Ephos уникальна тем, что создаёт квантовые фотонные чипы из стекла. В их процессе световые частицы генерируются и проходят по оптическому волокну и в этот чип. Всё изготовлено из стекла, поэтому риск того, что фотоны будут блуждать по пути, меньше. Это важно, поскольку потеря даже фотона означает потерю ценной информации.
Задача сложна и требует поистине общеевропейских усилий. В Германии компания Pixel Photonics совершенствует сверхчувствительные детекторы для улавливания каждого фотона, а Schott AG поставляет высококачественные стеклянные подложки.
В Италии команда Акконсиа в Милане разрабатывает высокопроизводительную электронику, которая управляет системой, в то время как эксперты в области экспериментальной квантовой оптики в Римском университете Сапиенца занимаются генерацией одиночных фотонов.
Тем временем во Франции Единая основа Франции создаёт программное обеспечение с открытым исходным кодом для облегчения квантовых операций. Команды Национального центра научных исследований и Университета Монпелье моделируют передовые решения для хранения энергии, что является важной основой для будущих квантовых приложений.
Эта сеть сотрудничества идеально соответствует целям Европы в рамках «Цифрового десятилетия» и «Акта о чипах» — развернуть первый квантовый суперкомпьютер на континенте к 2025 году и взрастить собственную индустрию квантовых чипов к 2030 году.
Стремление сделать компьютеры быстрее и мощнее сталкивается с физическими ограничениями того, насколько мы можем уменьшить кремниевые чипы. Квантовые компьютеры — это совершенно другое дело, но учёным ещё предстоит приручить их.
Исследователи QLASS разделяют общую цель: создать работающий фотонный квантовый прибор в Сапиенца к 2026 году. После завершения разработки программное обеспечение, разработанное в Университете Монпелье и Единой основой, проверит этот прибор.
Первая задача? Разработка более совершенных литий-ионных аккумуляторов, необходимых для хранения возобновляемой энергии и электрификации европейского транспорта. Это то, что волнует Акконсиа.
«Это отвечает моим интересам в области зелёных технологий», — сказала она. «Проведение исследований занимает много времени, но когда вы так близко к применению, вы чувствуете, что действительно можете изменить ситуацию в ближайшем будущем».
Используя вариационные квантовые алгоритмы — специальные инструкции, которые помогают квантовым машинам решать задачи более эффективно, — квантовые вычисления могут моделировать химию аккумуляторов, ускорять поиск новых материалов и даже улучшать мониторинг состояния аккумуляторов.
Между тем флагманская программа «Квантовые технологии», десятилетняя инициатива ЕС, запущенная в 2018 году, поддерживает коммерческие квантовые приложения с бюджетом в 1 миллиард евро.
«В целом Европа конкурентоспособна с США и Китаем с точки зрения нашего глубокого пула талантов, и в Европе довольно разнообразная и богатая сцена стартапов», — сказал Роккетто. «Хотя нам не хватает крупных коммерческих игроков с глубокими карманами США».
Квантовые компьютеры могут изменить и химию. Хотя учёные понимают правила, регулирующие атомы и соединения, отслеживание их взаимодействий в реальном времени невероятно сложно — за пределами досягаемости сегодняшних кремниевых компьютеров.
«Моделирование квантовых систем, вероятно, поможет нам в открытии лекарств и открытии новых материалов», — сказал Роккетто. Он считает, что квантовые вычисления в конечном итоге откроют новые двери.
«Это позволит нам узнать больше о самой Вселенной. Это главная причина, по которой мы должны создавать эти машины».