Квантовые вычисления: новый интеллектуальный усилитель экономит энергию

Группа исследователей из Технологического университета Чалмерса в Швеции представила интеллектуальную систему усилителей, которая позволяет квантовым компьютерам максимально эффективно использовать кубитные данные. Это обновление поможет будущим устройствам масштабироваться, чтобы удовлетворить растущий спрос на компьютерные системы с ИИ. Вот как инженеры использовали кубитные усилители для повышения производительности квантовых компьютеров.

Квантовые Компьютеры

В последнее время много говорят о квантовых компьютерах. Эти устройства, которые были изобретены только в 1998 году, используют кубиты вместо традиционных компьютерных битов. Первым квантовым компьютером был 2-кубитный ядерно-магнитный резонансный (ЯМР) квантовый компьютер.

Его конструкция была революционной, поскольку она включала квантово-механические явления, такие как суперпозиция и запутанность, для выполнения своих задач. Примечательно, что квантовые компьютеры могут превосходить суперкомпьютеры и способны обрабатывать самые сложные вычисления, известные человечеству сегодня.

Биты против кубитов

Их сила заключается в использовании кубитов вместо битов. Сегодня компьютеры полагаются на биты данных для работы. Биты отправляются как 1 и 0 с использованием двоичного кода. Любая комбинация этих цифр может быть эквивалентна определенной информации для компьютеров. Двоичный код был прочной основой для вычислений на протяжении десятилетий.

Введение использования квантовых битов или кубитов меняет все. Используя суперпозицию, кубиты способны переносить все значения одновременно, предоставляя колоссальный объем вычислительных возможностей. В частности, все квантовые компьютеры полагаются на специальные устройства, которые они используют для интерпретации квантовых данных, называемые усилителями.

Усилители

Усилители усиливают чувствительные микроволны для усиления сигналов кубитов. Они являются важнейшим компонентом в конструкции квантового компьютера, где они помогают гарантировать, что данные кубита будут быстро записаны до того, как квантовое состояние исчезнет.

Ограничения квантовых компьютеров

Существуют некоторые ограничения квантовых компьютеров, которые замедлили их внедрение. Во-первых, они чрезвычайно дороги в производстве и эксплуатации. Эти устройства должны храниться при криогенных температурах, чтобы стабилизировать кубиты и предотвратить любую декогеренцию кубитов.

Декогеренция может возникнуть по многим причинам, включая магнитные, электрические или тепловые помехи. Последнее является серьезной проблемой, поскольку каждый усилитель, добавленный к квантовой компьютерной системе, также вносит дополнительные требования к теплу и энергии. Малейшее изменение температуры может привести к потере целостности кубитов и сделать их непригодными для вычислений.

Внутри исследования умного усилителя

Импульсная операция HEMT LNA для считывания кубитов исследовании¹, предложенный инженерами из Технологического университета Чалмерса в Швеции, представляет новый метод масштабирования производительности квантового компьютера. Новый подход основан на высокопроизводительных кубитах, работающих на специально созданном усилителе и алгоритме.

Система квантового компьютера использует модифицированное коммерчески доступное криогенное гибридное устройство для работы с интеллектуальным усилителем. Интеллектуальный усилитель был создан для работы только при импульсах квантовых битов. Этот подход имел много проблем, которые исследователям необходимо было преодолеть для достижения успеха.

Источник - Технологический университет Чалмерса

Во-первых, команде пришлось настроить устройство так, чтобы оно работало достаточно быстро, чтобы включаться и выключаться между импульсами кубита. Для выполнения этой задачи инженеры создали специальный алгоритм. Оптимизированный алгоритм формы сигнала напряжения затвора позволил усилителю работать с большей точностью. Алгоритм также имел решающее значение для снижения энергопотребления и тепла, выделяемого устройством.

В отличие от традиционных усилителей, которые работают постоянно, импульсный подход требует, чтобы устройство включалось за миллисекунды. Инженеры доработали алгоритм для выполнения этой задачи, гарантируя, что интеллектуальный усилитель активируется достаточно быстро, чтобы успевать за считыванием кубита.

Как тестировался умный усилитель

Инженеры провели ряд испытаний нового квантового интеллектуального усилителя, чтобы убедиться в его возможностях и производительности. Команда начала с анализа ограничений восстановления усилителей. Этот тест включал в себя регистрацию переходного шума устройства и измерение его производительности.

Инженерам нужно было обеспечить, чтобы декогеренция была минимальной во время этих вычислений. Поэтому они заставили устройство провести несколько высокоуровневых вычислений, регистрируя любой шум, производимый при тесной работе системы.

В частности, команда использовала криогенную установку измерения шума во временной области с временным разрешением 5 нс. Оттуда ученые повысили точность, удерживая измеренное стандартное отклонение шума (SD) ниже 0.3 К.

Следующий тест измерял шум во временной области и производительность усиления в ответ на квадратную форму сигнала напряжения затвора. Это была одна из самых сложных частей их работы, поскольку кубиты пульсируют в наносекундах, что делает синхронизацию и регистрацию их появления сложной задачей.

Наконец, команда задокументировала переходные процессы тока стока, что позволило им рассчитать среднюю потребляемую мощность импульсного интеллектуального усилителя. Система учитывала все требования к питанию, включая потери мощности во время импульсных операций.

Результаты интеллектуального усилителя: быстрее, холоднее, лучше

Результаты испытаний интеллектуального усилителя впечатляют по сравнению с предшественниками. Интересно, что исследование представляет собой первую успешную демонстрацию малошумящих полупроводниковых усилителей для квантового считывания в импульсном режиме, открывая дверь для будущих инноваций.

Примечательно, что инженеры хронометрировали усилитель, чтобы увидеть, как быстро он может реагировать на квебиты. Устройство хронометрируется на 35 наносекунд при измерении кубитов. Они также отметили, что усилитель вырабатывал гораздо меньше тепла и помех во время своего рабочего цикла, что привело к более чистому приему сигнала.

Группа доказала, что их импульсный подход снизил потребление энергии без снижения производительности. В прошлом добавление усилителей приводило к увеличению потребляемой системой мощности. Только после того, как эти исследователи уделили время изучению и созданию надежного импульсного алгоритма, производительность усилителя и потребление энергии удалось успешно разделить.

Основные преимущества интеллектуального усилителя

Интеллектуальный усилитель обеспечивает рынку квантовых компьютеров множество преимуществ. В частности, он может сыграть ключевую роль в разработке высокопроизводительных и энергоэффективных квантовых компьютеров. Эти системы обеспечат надежную и эффективную структуру для крупномасштабных приложений.

Повышенная чувствительность

Интеллектуальный усилитель обеспечивает более точные и чувствительные показания кубитных данных благодаря своей импульсной конструкции. Алгоритм гарантирует, что устройство работает только тогда, когда кубиты активны. Он представляет собой самый чувствительный усилитель, когда-либо созданный с использованием транзисторов, что является важной вехой в секторе квантовых компьютеров.

Высокоэффективная производительность

Конструкция также обеспечивает преимущество энергоэффективности. Эта импульсная конструкция снижает среднее потребление энергии примерно на ~85–90% по сравнению с непрерывной работой. Эта эффективность имеет решающее значение для ее конструкции, поскольку протоколы ИИ, для работы которых будут использоваться квантовые компьютеры, также требуют много энергии для работы.

Низкое тепловыделение

Ещё одно преимущество интеллектуального импульсного усилителя заключается в том, что он выделяет гораздо меньше тепла, чем его предшественники. Новое устройство позволит использовать криогенные камеры, необходимые для работы квантовых компьютеров, с меньшими затратами. Кроме того, это открывает возможности для уменьшения размеров этих устройств и их интеграции в большее количество устройств в будущем.

Реальное использование и сроки внедрения

Существует длинный список реальных применений для высокоэффективных усилителей. Очевидное применение — модернизация квантовых компьютеров и помощь в том, чтобы сделать их более доступными для общественности. Вскоре центры обработки данных квантовых компьютеров предложат массам высокопроизводительные вычислительные возможности через облачные сервисы. Оттуда технология в конечном итоге должна стать доступной для среднего человека.

Может пройти +10 лет, прежде чем вы сможете использовать интеллектуальный квантовый компьютер с усилителем. Для этих устройств все еще существует множество ограничений по стоимости, например, необходимость работы с использованием криогенных камер. Однако в течение следующих 5 лет облачные квантовые компьютерные сервисы начнут набирать обороты.

Разработка наркотиками

Квантовые компьютеры, работающие на основе передовых алгоритмов ИИ, произведут революцию в области медицины. Системы ИИ уже играют важную роль в разработке лекарств и методов лечения. В ближайшие годы высокопроизводительные квантовые компьютеры помогут улучшить тестирование и создание новых лекарств без использования испытуемых.

Шифрование

Сектор шифрования увидит серьезные изменения с появлением квантовых компьютеров. Эти устройства будут обладать достаточной мощностью, чтобы быстро уничтожить любые обычные протоколы безопасности, работающие на компьютерах. Таким образом, эти устройства окажутся ключевыми в обеспечении безопасности будущих компьютерных систем и предотвращении крупномасштабных утечек данных или взломов.

ИИ для будущего

Лучший вариант использования интеллектуальных усилителей — создание квантовых компьютеров для питания будущих систем ИИ. Протоколы ИИ хороши лишь настолько, насколько хороши их наборы данных и обучения. Квантовые компьютеры могли бы использовать огромные наборы данных и получать доступ к архивированной информации из них в рекордно короткие сроки. Такой подход позволит этим системам проводить огромные и сложные вычисления за считанные секунды.

Логистический

Сектор логистики — еще одно место, где квантовые компьютеры могли бы проявить себя. Рынок логистики представляет собой триллионы товаров, ежедневно перемещающихся по всему миру. Внедрение устройств IoT (Интернет вещей) и ИИ помогло улучшить отслеживаемость.

Однако эти системы не способны справиться с растущим количеством датчиков и других данных, получаемых по пути товара. Квантовые компьютеры могли бы стать основой будущих логистических систем, обеспечивая повышение эффективности в режиме реального времени в крупных сетях.

Исследователи, изучающие интеллектуальные усилители

Исследование умного усилителя было проведено группой исследователей из Технологического университета Чалмерса, расположенного в Швеции. В качестве основных авторов работы в исследовании указаны Инь Цзэн и Маурицио Тоселли. Также в нем указана поддержка со стороны Йоргена Стенарсона, Питера Собиса и Яна Грана, профессора микроволновой электроники в Чалмерсе.

Финансирование проекта осуществлялось программой Vinnova «Умные электронные системы» и Центром технологий беспроводной инфраструктуры Чалмерса (WiTECH).

Будущее исследования интеллектуальных усилителей

Исследователи рассматривают свою работу как основу для будущих разработок. Они надеются продолжить свои исследования в области высокопроизводительных кубитных усилителей и стремятся работать над тем, чтобы сделать устройство более простым для интеграции в будущие квантовые компьютерные чипы.

Инвестиции в квантовые компьютеры

В индустрии квантовых компьютеров есть несколько крупных игроков, претендующих на этот титул. Эти компании вложили миллионы в создание высокопроизводительных устройств, способных выполнять вычисления на уровне, недостижимом даже для суперкомпьютеров. Вот одна из компаний, которая продолжает предлагать рынку жизнеспособные решения.

Nvidia

Когда вы думаете о Nvidia (NVDA ), у вас, вероятно, есть видения высоко востребованных графических процессоров. Компания закрепила за собой репутацию ведущего поставщика этих устройств, которые имеют решающее значение в высокопроизводительной графике и операциях по майнингу криптовалют.

Большинство людей не знают, что Nvidia также играет ключевую роль на рынке квантовых компьютеров, предоставляя производителям оборудование и услуги. Среди последних продуктов компании — NVIDIA DGX Quantum.

Эта высокопроизводительная система и эталонная архитектура были разработаны специально для поддержки квантово-классических вычислений. Продукт был создан совместно с другим крупным конкурентом в этом секторе, Quantum Machines.

В частности, Nvidia продолжает исследования и разработки в области квантовых процессоров (QPU), стремясь стать основным аппаратным решением для будущих систем. Если компания сможет извлечь выгоду из своего позиционирования и статуса первопроходца, это может привести к тому, что фирма достигнет доминирования на рынке, аналогично ее действиям в секторе видеокарт.

Всем, кто хочет освоить несколько высокотехнологичных секторов, включая искусственный интеллект, графику, игры и квантовые вычисления, стоит поглубже изучить информацию о Nvidia. Компания зарекомендовала себя как поставщик качественного оборудования. В будущем она надеется создать инфраструктуру, необходимую для высокопроизводительных вычислительных систем будущего.

Последние новости и разработки акций Nvidia (NVDA)

Заключительные мысли: на шаг ближе к масштабируемому кванту

Исследование, посвящённое интеллектуальному усилителю, представило надёжный способ сделать самые мощные компьютеры в мире ещё быстрее. Кроме того, устройство снижает энергопотребление, что делает его идеальным для использования в устойчивых системах. Всё это делает интеллектуальный усилитель революционным решением, которое может стать началом новой эры сверхмощных компьютеров.

Узнайте о других разработках квантовых компьютеров здесь.

Ссылки на исследования:

^{1. Цзэн Ю., Стенарсон Дж., Собис П. и Гран Дж. (2025). Импульсная работа HEMT LNA для считывания кубитов. Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения. Предварительная онлайн-публикация. https://doi.org/10.1109/TMTT.2025.3556982}