Стратосферные квантовые центры обработки данных: следующее облако

Что если понятие «облачные вычисления» станет восприниматься буквально? Ученые изучают этот вопрос. развертывание Создание передовых компьютеров в стратосфере позволит решить одну из ключевых проблем квантовых вычислений.

В случае развертывания, это уникальное путь в решить Эта проблема может помочь сэкономить на расходах на охлаждение и полностью изменить ситуацию. пути we знают и думаю of «Облачные вычисления».

Растущие затраты на охлаждение квантовых центров обработки данных

Квантовые компьютеры тип компьютера которая использует Квантовая механика позволяет выполнять сложные вычисления гораздо быстрее, чем классические компьютеры.

В отличие от классических компьютеров, которые хранят и обрабатывают данные в битах (то есть в нулях или единицах), квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут существовать в нескольких состояниях одновременно — явление, называемое суперпозицией, — а также могут быть связаны друг с другом — явление, также называемое суперпозицией. называется запутанностью. Эти свойства позволяют квантовым компьютерам одновременно исследовать множество возможностей.

Благодаря кубитам как основной единице данных, квантовые компьютеры способны выполнять сложные параллельные вычисления и обладают значительно увеличенной емкостью хранения. Однако кубиты очень чувствительны к внешним шумам, таким как тепло, вибрация и электромагнитные помехи.

Они просто Они очень хрупкие и, следовательно, поддерживаются при чрезвычайно низких температурах, чтобы предотвратить ошибки, вызванные шумом, и обеспечить надлежащее функционирование..

Большинство квантовых систем фактически работают при температурах от нескольких милликельвинов до 10 кельвинов.

Таким образом, хотя квантовые центры обработки данных (КЦОД) иметь потенциал выполнить задачу в два раза быстрее, чем a традиционный one, они потребляют 10 в раз больше энергии благодаря использование энергоемкие криогенные системы охлаждения.

В результате там is нужда в смотреть в QDCs термодинамические аспекты в порядке для уменьшения потребление энергии на охлаждение of эти центры обработки данных.

К основным методам охлаждения, используемым в центрах обработки данных для квантовых чипов, относятся лазерное охлаждение, охлаждение методом разбавления и импульсно-трубчатое охлаждение, а также набирают популярность передовые технологии, такие как использование магнитокалорического эффекта (явление, при котором магнитные материалы нагреваются при приложении магнитного поля и охлаждаются при его снятии) в сверхтвердых телах.

Другой метод предполагает погружение квантовых схем в редкую криогенную жидкость — гелий-3.которая переходит в сверхтекучее состояние при чрезвычайно низких температурах и проявляет уникальные квантовые свойства.

Тем не менее, достижение и поддержание криогенной среды для кубитов по-прежнему остается сложной задачей. запросы значительные затраты и энергозатраты, что является серьезным препятствием для квантовые вычисления внедрение и масштабирование up эта быстро развивающаяся технология.

Этот призывают к разработке инновационных инженерных подходов, способных обеспечить высокопроизводительные квантовые вычисления.

Исследование, проведенное учеными из KAUST, как раз и предложило развертывание квантовых процессоров на стратосферных высотных платформах (HAP). Процессоры будут размещены на летающих дирижаблях. через стратосферу на высоте около 20 километров (12.4 мили), где температура окружающей среды составляет -50°C (примерно -58°F). 

Используя эти естественные низкие температуры, исследователи стремятся значительно снизить потребность в охлаждении квантовых диодов и обеспечить устойчивые высокопроизводительные квантовые вычисления.

Превращение дирижаблей в криогенные центры обработки данных, работающие на солнечной энергии.

Новое предложение от исследователей из Саудовской Аравии Университет науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST)), опубликовано в журнале npj Wireless Technology¹В статье подробно описывается новая концепция развертывания квантовых компьютеров в стратосфере с использованием дирижаблей или аэростатов..

Это также демонстрирует, что их уникальный подход к экологичным, гибко развертываемым квантовым вычислениям в верхних слоях атмосферы предлагает превосходная энергоэффективность. Кроме того, система демонстрирует лучшие вычислительные показатели. чем традиционные наземные центры обработки данных.

«Благодаря тому, что дирижабль работает выше облаков и погодных систем, он имеет доступ к предсказуемому и беспрепятственному солнечному излучению».

– Ведущий автор, Басем Шихада из KAUST.

Для того, чтобы использовать преимущества холодных условий of В стратосфере команда предлагает использовать высотные платформы с поддержкой квантовых вычислений (QC-HAPs). На этих стратосферных дирижаблях будут размещены квантовые устройства, заключенные в криостаты для поддержания необходимой криогенной температуры. 

Да, криостаты по-прежнему необходимы для поддержания квантовых состояний, но на такой высоте естественная низкая температура окружающей среды резко снижает потребность в энергии для криогенного охлаждения. 
Проведите пальцем, чтобы прокрутить →

Кроме того, дирижабли будут оснащены солнечными панелями для преобразования солнечного света в электрическую энергию и литий-серными батареями для обеспечения бесперебойной работы в ночное время и во время неблагоприятных погодных условий.

Согласно статье, космические лучи, высокоэнергетические частицы, производимые Солнцем, окажут незначительное влияние на надежность стратосферных квантовых вычислительных систем, что подтверждает жизнеспособность этой платформы в стратосфере. 

QC-HAP, размещенные в небе, будут быть связанным к наземным квантовым центрам обработки данных.

Для этого HAP-устройства будут передавать информацию, закодированную в световых волнах. с помощью Оптическая связь в свободном пространстве (FSO). В условиях облачности в качестве резервных каналов связи будут использоваться радиочастотные каналы.

Чтобы предотвратить ухудшение сигнала и декогеренцию при распространении данных в атмосфере, группа исследователей предлагает использовать промежуточные платформы на воздушных шарах на меньших высотах. в качестве ретрансляционных станций.

Главное преимущество QC-HAP заключается в том, что их можно перемещать туда, где они необходимы, будь то в востребованные точки или в отдаленные регионы. Такая гибкая конфигурация расширяет охват квантовых вычислений, устраняет вычислительные узкие места и снижает задержку.

Кроме того, их можно объединять для увеличения общей вычислительной мощности, формируя «динамичный парк, способный предоставлять масштабируемые услуги квантовых вычислений по запросу по всему миру», — сказал соавтор исследования Вием Абдеррахим, в настоящее время научный сотрудник Карфагенского университета в Тунисе.

Эта масштабируемая архитектура многоканальной группировки HAP позволяет преодолеть индивидуальные ограничения по энергопотреблению и повысить вычислительные преимущества.

Согласно расчетам исследователей, их решение, работающее на солнечной энергии, может снизить потребность в охлаждении на 21% по сравнению с аналогичными наземными центрами квантовых вычислений.

Исследователи использовали этот подход для анализа двух ведущих форм квантовых вычислений, учитывая их зрелость, стабильность, масштабируемость и время когерентности. Снижение потребности в охлаждении зависит от архитектуры кубита, поскольку каждый тип работает при разных температурах. другой диапазон криогенных температур.

Один из подходов использует кубиты на основе захваченных ионов, охлажденных примерно до 4 К (около –269 °C). Этот подход получил наибольшую выгоду от концепции QC-HAP. Другой подход использует сверхпроводящие схемы, работающие при температурах от 10 до 20 мК.

Их анализ также показывает, что эти квантово-поддерживаемые HAP-устройства поддерживают на 30% больше кубитов, чем наземные QDC-устройства, сохраняя при этом... более низкий уровень ошибок, особенно при использовании рычагов. расширенные аппаратные возможности.

В исследовании отмечается, что помимо кубитов, экономия энергии, достигаемая стратосферной квантовой системой, также зависит от архитектуры центра обработки данных..

Несмотря на свою мощь, эта футуристическая концепция еще далека от практической реализации и требует значительных достижений в области аппаратного обеспечения квантовых вычислений, таких как надежные системы для выявления и исправления ошибок, особенно во время передачи данных.

Есть также Уникальные характеристики стратосферной среды, такие как сезонные колебания солнечной радиации и погодные условия, влияют на получаемую солнечную энергию и, в свою очередь, на... Энергоэффективность предлагаемой ими платформы требует тщательного рассмотрения.

В будущих исследованиях основное внимание следует уделить анализу того, как факторы окружающей среды влияют на квантовые системы, а также... Разработка надежных конструкций для практического внедрения QC-HAP. 

«Наши следующие шаги — переход от концептуального и аналитического этапа к исследованиям, ориентированным на практическую реализацию».

– Соавтор исследования, Осама Амин

В перспективе исследователи ожидают, что решения на основе квантовых вычислений, использующие воздушные средства, не заменят, а будут существовать параллельно с традиционными наземными центрами обработки данных в рамках гибридной облачной вычислительной системы.

Глобальная гонка за воплощение квантовых компьютеров в реальность.

Пока исследователи изучают квантовые платформы, расположенные на небесах, ведущие игроки отрасли продолжают совершенствовать оборудование, необходимое для квантовой эры, которую эти платформы в конечном итоге могут поддерживать. 

IBM (IBM )Например, входит в число тех, кто активно занимается квантовыми компьютерами, надеясь создать Starling, крупномасштабный отказоустойчивый квантовый компьютер, до конца десятилетия.

Недавно компания объявила о разработке новых квантовых процессоров (QPU), которые ожидаемые , чтобы помочь их достичь квантового преимущества так же как и сигнал Полностью отказоустойчивый квантовый компьютер.

IBM Quantum Nighthawk, обладающий 120 кубитами, представляет собой свою первый новый процессор который может обрабатывать Квантовые вычисления на 30% сложнее, чем у предыдущего квантового процессора IBM (R2 Heron). Каждый из этих кубитов может соединяться с ближайшим 4 соседи благодаря Настраиваемые соединители. Эта платформа позволит ученым исследовать задачи, требующие 5,000 двухкубитных вентилей, и IBM надеется, что она позволит решить эти задачи. иметь будущие версии Найтхока доставки до 10 000 ворот к концу 2027 года.

IBM Loon — это ещё один, более компактный процессор. который имеет 112 кубитов и все необходимые аппаратные элементы для обеспечения полной отказоустойчивости, что позволяет справиться с высокой частотой отказов. в кубитах. Этот Это поможет команде заранее изучить Kookaburra, еще один экспериментальный процессор, который станет первым модульным квантовым процессором для хранения и обработки закодированной информации. ожидается в следующем году.

Кроме того, компания IBM сообщила, что чтобы говорить со зрителями на их новый формат Изготовление квантовых процессоров на 300-миллиметровой (12-дюймовой) кремниевой пластине вдвое сокращает время, необходимое для создания каждого из них, и одновременно повышает производительность. физическая сложность чипсов в 10 раз.

Несмотря на ускорение разработки аппаратного обеспечения, сроки внедрения квантовых технологий в массовое производство значительно различаются у лидеров отрасли.

Квантовые компьютеры, согласно Intel, (INTC ) Бывший генеральный директор Пэт Гелсингер гораздо быстрее станет популярным, примерно через два года, и это ознаменует конец эпохи графических процессоров. Тем временем, Nvidia (NVDA )Компания, доминирующий игрок на рынке графических процессоров, заявила, что для массового внедрения квантовых технологий потребуется два десятилетия.

«Мы вступаем в самое захватывающее десятилетие или два для специалистов в области технологий», — сказал Гельсингер в интервью Financial Times. Он также назвал квантовые вычисления «святой троицей». вычисление Мирнаряду с классическими вычислениями и вычислениями с использованием искусственного интеллекта.

Но хотя Гельсингер также считает, что «квантовый прорыв» лопнет пузырь искусственного интеллекта, Сундар Пичаи из Google видит в этом и следующий бум ИИ.

Генеральный директор третьей по величине компании в мире by В недавнем интервью он заявил, что квантовые вычисления быстро приближаются к моменту прорыва, подобному тому, что пережил искусственный интеллект несколько лет назад.

«Я бы сказал, что квантовые технологии достигли того уровня, на котором, возможно, находился искусственный интеллект пять лет назад. Поэтому я думаю, что через пять лет мы будем переживать очень захватывающий этап в развитии квантовых технологий».

– Пичаи

И Google активно готовится к этим изменениям. По словам Пичаи:

«У нас самые передовые в мире разработки в области квантовых вычислений… Я думаю, что создание квантовых систем поможет нам лучше моделировать и понимать природу и откроет множество преимуществ для общества».

Подтверждением этой тенденции стало то, что всего месяц назад ситуация изменилась., исследователи из Google Quantum AI сообщал осуществление код поверхности² с использованием трех различных динамических схем. Этот Это открывает новые возможности для практического применения хорошо известной техники квантовой коррекции ошибок (QEC) и может также способствовать разработке более надежных методов. квантовые компьютеры.

Квантово-оптимизированная коррекция ошибок (QEC) — это способ обеспечить надежную работу этих компьютеров. Она также необходима для создания отказоустойчивых квантовых компьютеров, но «реализация QEC представляет собой серьезную проблему, поскольку схемы обнаружения и коррекции ошибок сложны и требуют чрезвычайно точных операций», — сказал соавтор Мэтт Макьюэн.

Рассматриваемый поверхностный код работает путем организации кубитов на двумерной сетке, а затем многократной проверки на наличие ошибок.

Ранее Макьюэн работал над теоретическим предложением, демонстрирующим наличие нескольких способов его реализации, в частности, показывающим осуществимость трех различных вариантов реализации динамического поверхностного кода: шестиугольные, iSWAP и пешеходные маршруты.

Развивая эту идею, команда продолжила... работа над доказательством что они работают в экспериментах в реальных условиях. 

В ходе тестирования было установлено, что работа цепей iSWAP улучшилась. подавление ошибок в 1.56 раза, а на пешеходной трассе — в 1.69 раза, в то время как на гексагональной трассе сделал так в 2.15 раза.

«Самый важный вывод из нашей работы — подтверждение того, что эти динамические схемы работают в реальности».

– Макьюэн

Прорывы в области стабильности кубитов также ускоряются. Инженеры Принстона были недавно возможность продлить время жизни кубитов³ в своих последних исследованиях, которые частично финансировалось компанией Google Quantum AI..

Это большой шаг на пути к разработке полезных квантовых компьютеров: инженеры создали сверхпроводящий кубит, который оставался стабильным более 1 миллисекунды, что в три раза дольше, чем самые мощные из существующих версий.

«Настоящая проблема, то, что мешает нам сегодня создавать полезные квантовые компьютеры, заключается в том, что при создании кубита информация сохраняется очень недолго», — сказал соавтор Эндрю Хоук, декан инженерного факультета Принстонского университета. «Это следующий большой шаг вперед».

Для подтверждения улучшения когерентности кубитов исследователи создали работающий квантовый чип, использующий новую архитектуру, аналогичную системам, разработанным Google и другими компаниями. IBM (IBM ). 

Используемый вариант с трансмонными кубитами основан на сверхпроводящих схемах, работающих при чрезвычайно высоких температурах. холодный температуры и предложение твердое защиту от Шум окружающей среды. Они также хорошо работают с современными производственными процессами. Однако увеличение времени когерентности этих кубитов представляет собой чрезвычайно сложную задачу.

Таким образом, команда из Принстона переработала кубит, используя исключительно прочный тантал для предотвращения потери энергии и широко доступный высококачественный кремний в качестве подложки. Этот танталово-кремниевый чип не только проще в массовом производстве, но и превосходит по характеристикам существующие аналоги.

Сочетание этих двух факторов, наряду с усовершенствованием производственных технологий, позволило команде добиться одного из самых значительных улучшений в истории трансмона. Гипотетический компьютер на 1,000 кубитов может работать примерно в миллиард раз лучше, если использовать лучший на данный момент дизайн в отрасли. is поменять местами с Принстоном дизайн интерфейса благодаря своим улучшениям масштабирование «Экспоненциально с увеличением размера системы», — сказал Хоук.

Тео Пероннин, генеральный директор компании Alice & Bob, разрабатывающей отказоустойчивую систему квантовых вычислений, Nvidia (NVDA )Недавно было заявлено, что, хотя квантовые технологии еще недостаточно развиты, чтобы представлять угрозу для существующих криптографических систем, они могут стать достаточно мощными, чтобы взломать их через несколько лет после 2030 года.

Этот представляет угрозу не только для Bitcoin (BTC ) а также криптовалюты и все виды банковского шифрования. В интервью журналу Fortune он сказал:

«Квантовые вычисления обещают экспоненциальное ускорение, но если посмотреть на экспоненциальную кривую в целом, то она становится совершенно плоской, а затем резко обрывается. Так что мы находимся только в начале переломного момента. Сейчас они не мощнее вашего смартфона. Но дайте им пару лет, и они станут мощнее самого большого суперкомпьютера в истории».

Однако компании работают над решениями, а исследователи расширяют возможности квантовых сетей. В прошлом месяце исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета (UChicago PME) увеличил диапазон квантовых связей³ от нескольких километров до 2,000 км.

«Впервые технология для создания глобального квантового интернета стала доступной».

– Доцент Тянь Чжун

В ходе своего исследования команда увеличила время когерентности отдельных атомов эрбия с 0.1 миллисекунды до более чем 10 миллисекунд, а в одном случае им удалось достичь показателя в 24 миллисекунды.

Инновация здесь заключалась в следующем: building кристаллы имеют решающее значение для Создайте квантовая запутанность по-другому. Поэтому они использовать молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), который сродни 3D-печати. «Мы начинаем с нуля, а затем собираем это устройство атом за атомом». Он добавил: «Качество или чистота этого материала настолько высоки, что свойства квантовой когерентности этих атомов становятся превосходными».

Инвестиции в квантовые технологии

ИонКью, Инк. (IONQ ) Это компания, специализирующаяся исключительно на квантовых технологиях, которая разрабатывает и коммерциализирует квантовые компьютеры, уделяя особое внимание кубитам на основе захваченных ионов. Компания предлагает квантовое оборудование через основные облачные платформы. Это делает квантовые вычисления более доступными и создает благоприятные условия для их коммерческого внедрения по мере приближения квантовых технологий к реальному применению в мире. 

Динамика акций IonQ отражает это: в настоящее время их цена составляет 48.10 долларов, что на 21% ниже, чем в прошлом месяце, но на более чем 18% выше с начала года и на 67.56% выше, чем за последние три года. Показатель EPS (TTM) составляет -5.35, а коэффициент P/E (TTM) — -9.21.

Что касается финансовой устойчивости компании, то в третьем квартале 2025 года ее выручка составила 39.9 млн долларов, что на 222% больше, чем годом ранее. Чистый убыток составил 1.1 млрд долларов, а прибыль на акцию по GAAP — (-3.58 доллара), скорректированная прибыль на акцию — (-0.17 доллара).

На конец квартала компания IonQ располагала денежными средствами, эквивалентами денежных средств и инвестициями на сумму 1.5 миллиарда долларов. 

«Мы достигли нашей технической цели 2025 года — #AQ 64 — на три месяца раньше, открыв в 36 квадриллионов раз больше вычислительного пространства, чем ведущие коммерческие сверхпроводящие системы. Мы достигли поистине исторического рубежа, продемонстрировав мировой рекорд производительности двухкубитных вентилей в 99.99%, что подчеркивает наш путь к 2 миллионам кубитов и 80 000 логических кубитов в 2030 году».

– Генеральный директор Никколо де Маси

В течение этого квартала компания IonQ также завершила приобретение компаний Oxford Ionics и Vector Atomic и получила новый контракт с Oak Ridge National.Лаборатория для разработки ускоренных квантово-классических рабочих процессов и передовых энергетических приложений.

Нажмите здесь, чтобы ознакомиться со списком пяти ведущих компаний в области квантовых вычислений.

Последние новости о компании IonQ, Inc. (IONQ) на фондовом рынке

Заключение: Когда «облачные технологии» становятся квантовыми

Квантовые вычисления стремительно превращаются из простого лабораторного курьезного явления в глобальную технологическую гонку, где такие гиганты индустрии, как IBM, Google и Nvidia, выводят возможности аппаратного обеспечения на беспрецедентный уровень. Тем временем, прорывы в области когерентности кубитов и квантовых вычислений продолжаются.Коррекция ошибок и межатомная запутанность на больших расстояниях неуклонно решают давние проблемы этой области.

На этом фоне KAUST разрабатывает проект по созданию «облачных вычислений». осязаемая реальность, работающая благодаря естественным криогенным температурам и постоянному солнечному свету. 

Эти достижения свидетельствуют о том, что мы приближаемся к историческому переломному моменту. В течение следующего десятилетия вполне реально, что квантовые вычисления, наконец, перейдут из теории в практику. практичность, преобразуя шифрование, науку и со временем возможно, даже смысл «облака» себя.

Нажмите здесь, чтобы увидеть список ведущих акций компаний, занимающихся облачными вычислениями.

Референсы

1. Абдеррахим В., Амин О. и Шихада Б. Экологичные квантовые вычисления в небе. npj Беспроводная технология 1, Статья 5 (2025). https://doi.org/10.1038/s44459-025-00005-y
2. А. Эйкбуш, М. Макьюэн, В. Сивак, А. Бурасса, Дж. Аталая, Дж. Клаас, Д. Кафри, К. Гидни, К. Уоррен, Дж. Гросс, А. Опремчак, Н. Зобрист, К. К. Мяо, Г. Робертс, К. Дж. Сатцингер, А. Бенгтссон, М. Нили, В. П. Ливингстон, А. Грин, Р. Ачарья, Л. Агабабаи Бени, Г. Айгелдингер, Р. Алькарас, Т. И. Андерсен, М. Ансманн, Ф. Аруте, …, А. Морван и др. Демонстрация динамических поверхностных кодов. Физика природы2025, Статья опубликована 17 октября 2025 года. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03070-w
3. Гупта, С., Хуанг, Ю., Лю, С., Пей, Ю., Гао, Ц., Ян, С., Томм, Н., Уорбертон, Р. Дж., и Чжун, Т. (2025). Двойные эпитаксиальные телекоммуникационные спин-фотонные интерфейсы с долговременной когерентностью. Природа связи, 16, 9814. https://doi.org/10.1038/s41467-025-64780-6