Стратосферні квантові центри обробки даних: наступна хмара

Що, якби «хмарні обчислення» стали буквальними? Вчені досліджують розгортання передові комп'ютери в стратосфері для вирішення однієї з ключових проблем квантових обчислень.

Якщо розгорнути, цей унікальний шлях до вирішити проблема може заощадити на витратах на охолодження та повністю змінити шлях we Знати і думати of «хмарні обчислення».

Зростання вартості охолодження квантових центрів обробки даних

Квантові комп'ютери він має тип комп'ютера Що використовує квантова механіка здатна виконувати складні обчислення набагато швидше, ніж класичні комп'ютери.

На відміну від класичних комп'ютерів, які зберігають та обробляють дані в бітах (тобто нулях або одиницях), квантові комп'ютери використовують кубіти, які можуть існувати в кількох станах одночасно, явище, яке називається суперпозицією, а також можуть бути пов'язані між собою, явище називається заплутаністю. Ці властивості дозволяють квантовим комп'ютерам досліджувати багато можливостей одночасно.

Завдяки кубітам як фундаментальній одиниці даних, квантові комп'ютери можуть виконувати розширені паралельні обчислення та мати значно збільшену ємність пам'яті. Однак кубіти дуже чутливі до шуму навколишнього середовища, такого як тепло, вібрація та електромагнітні перешкоди.

Вони просто дуже крихкі, і тому підтримуються при надзвичайно низьких температурах, щоб запобігти помилкам, спричиненим шумом, та забезпечити належне функціонування.

Більшість квантових систем фактично працюють при температурах від кількох мК до 10 К.

Отже, хоча квантові центри обробки даних (QDC) мати потенціал виконати завдання вдвічі швидше, ніж a традиційний один, вони споживають десять разів більше енергії завдяки використання енергоємні кріогенні системи охолодження.

В результаті там is необхідність до подивитися всередину QDC термодинамічні аспекти в порядку для зменшення споживання енергії на охолодження of ці центри обробки даних.

Деякі з основних методів охолодження, що використовуються в центрах обробки даних для квантових чипів, включають лазерне охолодження, охолодження розрідженням та імпульсне охолодження трубками, а також набирають обертів передові технології, такі як використання магнітокалорічного ефекту (явище, при якому магнітні матеріали нагріваються під час застосування магнітного поля та охолоджуються, коли поле зникає) у надтвердих тілах.

Інший метод передбачає занурення квантових схем у рідкісну кріогенну рідину гелій-3., яка стає надрідкою за надзвичайно низьких температур і проявляє унікальні квантові властивості.

Тим не менш, досягнення та підтримка кріогенних середовищ для кубітів запити значні витрати та енергія, що створює головну перешкоду для квантові обчислення впровадження та масштабування up ця стрімко розвиваючася технологія.

Цей вимагає інноваційних інженерних підходів, які можуть забезпечити високопродуктивні квантові обчислення.

Дослідження, проведене вченими з KAUST, саме це й зробило, запропонувавши розгортання квантових процесорів на стратосферних високогірних платформах (HAP). Процесори будуть розміщені на дирижаблях, що літають... крізь стратосферу на висоті близько 20 кілометрів (12.4 милі), де температура навколишнього середовища становить -50°C (близько -58°F). 

Використовуючи ці природно холодні умови, дослідники прагнуть значно зменшити потреби в охолодженні квантових діоксидів (QDC) та забезпечити стійкі, високопродуктивні квантові обчислення.

Перетворення дирижаблів на кріогенні центри обробки даних на сонячній енергії

Нова пропозиція дослідників із Саудівської Аравії Університет науки і технологій короля Абдалли (KAUST)), опубліковано в журналі npj Wireless Technology¹, детально описує нову схему розгортання квантових комп'ютерів у стратосфері за допомогою дирижаблів або дирижаблів.

Це також демонструє, що їхній унікальний підхід до зелених, гнучко розгортаних квантових обчислень у верхніх шарах атмосфери пропонує... вища енергоефективність. Більше того, система краще виконує обчислювальні функції ніж традиційні наземні центри обробки даних.

«Працюючи над хмарами та погодними системами, дирижабль має доступ до передбачуваного та безперешкодного сонячного випромінювання».

– Провідний автор, Басем Шихада з KAUST

Для того, щоб скористатися холодними умовами of У стратосфері команда пропонує створення висотних платформ на основі квантових обчислень (QC-HAP). Ці стратосферні дирижаблі розміщуватимуть квантові пристрої, укладені в кріостати, для підтримки необхідної кріогенної температури. 

Так, кріостати все ще потрібні для підтримки квантових станів, але на такій висоті природно низькі температури навколишнього середовища різко зменшують енергію, необхідну для кріогенного охолодження. 
Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Крім того, дирижаблі будуть оснащені сонячними панелями для перетворення сонячного світла в електричну енергію та літій-сірчаними акумуляторами для забезпечення безперебійної роботи вночі та під час негоди.

Згідно з дослідженням, космічні промені, високоенергетичні частинки, що утворюються Сонцем, матимуть незначний вплив на надійність стратосферних квантових обчислювальних систем, що підтверджує стратосферну життєздатність платформи. 

QC-HAP, розташовані в небі, будуть бути пов'язаним до квантових центрів обробки даних на землі.

Для цього HAP надсилали б інформацію, закодовану у світлових хвилях. через Оптичний зв'язок у вільному просторі (FSO). У хмарних умовах радіочастотні лінії слугуватимуть резервним варіантом.

Щоб запобігти погіршенню сигналу та декогерентності під час передачі даних через атмосферу, команда пропонує використовувати проміжні платформи на повітряних кулях на менших висотах. як ретрансляційні станції.

Перевага QC-HAP полягає в тому, що їх можна переміщувати туди, куди потрібно, чи то в гарячі точки попиту, чи у віддалені регіони. Таке гнучке розгортання розширює покриття квантових обчислень, усуває вузькі місця в обчисленнях і зменшує затримку.

Крім того, їх можна об'єднати для збільшення загальної обчислювальної потужності, формуючи «динамічний парк, здатний надавати масштабовані квантові обчислювальні послуги на вимогу по всьому світу», — сказав співавтор дослідження Вім Абдеррахім, який зараз є науковим співробітником Карфагенського університету в Тунісі.

Ця масштабована архітектура сузір'їв з кількома HAP-системами може подолати індивідуальні енергетичні обмеження та покращити обчислювальні переваги.

Згідно з розрахунками дослідників, їхнє рішення на сонячній енергії може зменшити потребу в охолодженні на 21% порівняно з аналогічними наземними центрами квантових обчислень.

Дослідники використовували цей підхід до двох провідних форм квантових обчислень через їхню зрілість, стабільність, масштабованість та час когерентності. Зниження потреби в охолодженні залежить від архітектури кубітів, оскільки кожен тип працює на різний кріогенний температурний діапазон.

Один підхід використовує кубіти на основі захоплених іонів, охолоджених приблизно до 4K (близько –269°C). Цей підхід отримав найбільше переваг від концепції QC-HAP. Інший використовує надпровідні схеми, що функціонують при температурах від 10 до 20 мК.

Їхній аналіз також показує, що ці квантово-активовані точки доступу (HAP) підтримують на 30% більше кубітів, ніж наземні квантові центри, зберігаючи при цьому... нижчий рівень помилок, особливо при використанні розширені апаратні можливості.

Окрім кубітів, економія енергії, досягнута стратосферною квантовою системою, також залежить від архітектури центру обробки даних, зазначається в дослідженні..

Хоча ця футуристична концепція й є потужною, вона ще далека від практичної реалізації, вимагаючи значних досягнень у сфері квантових обчислювальних апаратних засобів, таких як надійні системи для виявлення та виправлення помилок, особливо під час передачі.

Існують також унікальні характеристики стратосферного середовища, такі як сезонні коливання сонячної радіації та погодні умови, що впливають на зібрану сонячну енергію та, у свою чергу, на енергоефективність запропонованої ними платформи, що потребує ретельного розгляду.

У майбутніх дослідженнях основна увага має бути зосереджена на аналізі того, як фактори навколишнього середовища впливають на квантові системи, та на розробка надійних конструкцій для реального розгортання QC-HAP. 

«Наші наступні кроки полягають у переході від концептуальної та аналітичної стадії до досліджень, більш орієнтованих на впровадження».

– Співавтор дослідження, Осама Амін

Забігаючи вперед, дослідники очікують, що повітряні квантові рішення не замінять, а існуватимуть поряд із традиційними наземними центрами обробки даних у гібридній системі хмарних обчислень.

Глобальна гонка за створення квантових комп'ютерів

У той час як дослідники досліджують квантові платформи на основі неба, основні гравці галузі продовжують удосконалювати обладнання, необхідне для квантової ери, яке ці платформи можуть зрештою підтримувати. 

IBM (IBM )Наприклад, , є одним з тих, хто активно займається квантовими комп'ютерами, сподіваючись створити Starling, великомасштабний відмовостійкий квантовий комп'ютер, до кінця десятиліття.

Нещодавно компанія оголосила про розробку нових квантових процесорів (QPU), які очікуються , Щоб допомогти їх досягти квантової переваги а також повністю відмовостійкий квантовий комп'ютер.

Зі 120 кубітами, IBM Quantum Nighthawk... його перший новий процесор що може обробити На 30% складніші квантові обчислення, ніж попередній квантовий процесор IBM (R2 Heron). Кожен із цих кубітів може з'єднуватися з найближчим чотири сусіди завдяки настроювані з'єднувачі. Цей фреймворк дозволить вченим досліджувати проблеми, які потребують 5,000 двокубітних вентилів, і IBM сподівається... мати Майбутні версії Nighthawk надання до 10 000 воріт до кінця 2027 року.

IBM Loon — це інший менший процесор, який має 112 кубітів та всі апаратні елементи, необхідні для повної відмовостійкості для вирішення проблеми високого рівня відмов у кубітах. Цей допоможе команді заздалегідь дізнатися про Kookaburra, ще один процесор для перевірки концепції, який стане першим модульним QPU для зберігання та обробки закодованої інформації. очікується в наступному році.

Крім того, IBM повідомила, що їхньою new формат Виготовлення квантових процесорів на пластині розміром 300 мм (12 дюймів) вдвічі скорочує час, необхідний для створення кожного з них, одночасно збільшуючи... фізична складність з чіпсів в 10 разів.

Хоча апаратне забезпечення розвивається прискорено, терміни переходу на мейнстрімні квантові технології разюче різняться залежно від лідерів галузі.

Квантові комп'ютери, згідно з Intel (INTC ) Колишній генеральний директор Пет Гелсінгер стане мейнстрімом набагато швидше, приблизно через два роки, і ознаменує кінець графічних процесорів. Тим часом Nvidia (NVDA ), домінуючий гравець на ринку графічних процесорів, заявив, що знадобиться два десятиліття, щоб квантові процесори стали масовим попитом.

«Ми вступаємо в найзахопливіше десятиліття чи два для технологів», – сказав Гелсінгер в інтерв’ю Financial Times. Він також назвав квантові обчислення «святою трійцею» обчислення світ, поряд з класичними обчисленнями та обчисленнями зі штучним інтелектом.

Але хоча Гелсінгер також вважає, що «квантовий прорив» лусне бульбашку штучного інтелекту, Сундар Пічаї з Google розглядає це як наступний бум штучного інтелекту.

Генеральний директор третьої за величиною компанії світу by ринкова капіталізація якого оцінюється в 3.86 трильйона доларів, заявила в нещодавньому інтерв'ю, що квантові обчислення швидко наближаються до проривного моменту, подібного до того, що штучний інтелект пережив кілька років тому.

«Я б сказав, що квантова теорія знаходиться там, де, можливо, був штучний інтелект п'ять років тому. Тож я думаю, що через п'ять років ми переживемо дуже захопливий етап у квантовій техніці».

– Пічай

І Google агресивно позиціонує себе для цієї зміни. За словами Пічаї:

«Ми маємо найсучасніші у світі зусилля в галузі квантових обчислень… я думаю, що створення квантових систем допоможе нам краще моделювати та розуміти природу й відкриє багато переваг для суспільства».

Підкріплення цієї траєкторії, лише минулого місяця, дослідники Google Quantum AI повідомляє здійснення поверхневий код² використовуючи три різні динамічні схеми. Цей відкриває нові можливості для практичного застосування відомої методики квантової корекції помилок (QEC), а також може допомогти розробити більш надійні квантові комп'ютери.

QEC (Quant Electron Electron - квантовий комп'ютерний метод) – це спосіб забезпечити надійну роботу цих комп'ютерів. Він також є важливим для створення відмовостійких квантових комп'ютерів, але «реалізація QEC є значним викликом, оскільки схеми виявлення та виправлення помилок є складними та вимагають надзвичайно точних операцій», – сказав співавтор Метт Мак'юен.

Розглянутий поверхневий код працює шляхом організації кубітів на двовимірній сітці, а потім багаторазової перевірки на наявність дефектів.

Раніше Мак'юен працював над теоретичною пропозицією, яка показувала, що існує кілька способів її реалізації, зокрема, демонструючи доцільність трьох різних реалізацій динамічного поверхневого коду: шестигранник, iSWAP та прогулянкові схеми.

Спираючись на це, команда продовжила робота над доведенням що вони працюють в експериментах в реальних умовах. 

Після тестування вони виявили, що схеми iSWAP покращилися. придушення помилок в 1.56 раза, а контур ходьби в 1.69 раза, тоді як шестигранний контур так і зробив у 2.15 рази.

«Найбільшим висновком нашої роботи є підтвердження того, що ці реалізації динамічних схем працюють насправді».

– Мак'юен

Прориви в стабільності кубітів також прискорюються. Інженери Принстона були нещодавно можливість продовжити час життя кубітів³ у своєму останньому дослідженні, яке частково фінансувалося Google Quantum AI.

Великим кроком до розробки корисних квантових комп'ютерів стало створення інженерами надпровідного кубіта, який залишався стабільним протягом понад 1 мілісекунди, що втричі довше, ніж найпотужніші існуючі версії.

«Справжній виклик, те, що заважає нам мати корисні квантові комп’ютери сьогодні, полягає в тому, що ви створюєте кубіт, а інформація просто не зберігається дуже довго», — сказав співавтор Ендрю Хоук, декан інженерного факультету Принстонського університету. «Це наступний великий стрибок уперед».

Щоб підтвердити покращення когерентності кубітів, дослідники створили робочий квантовий чіп, використовуючи нову архітектуру, подібну до систем, розроблених Google та... IBM (IBM ). 

Використаний варіант трансмонного кубіта спирається на надпровідні схеми, які працюють на надзвичайно високих швидкостях. холодний температури та пропозиція солідної захист від шум навколишнього середовища. Вони також добре працюють із сучасними виробничими процесами. Однак збільшення часу когерентності цих кубітів є надзвичайно складним завданням.

Отже, команда з Принстона переробила кубіт, використовуючи надзвичайно міцний тантал для запобігання втрати енергії та широкодоступний високоякісний кремній як підкладка. Цей тантал-кремнієвий чіп не тільки легше виробляти масово, але й перевершує сучасні розробки.

Поєднання цих двох показників, а також удосконалення виробничих технологій, дозволило команді досягти одного з найважливіших удосконалень в історії трансмона. Гіпотетичний комп'ютер з 1,000 кубітів може працювати приблизно в мільярд разів краще, якщо найкращий на даний момент дизайн у галузі is обмінявся з Принстоном дизайн завдяки його покращенням Масштабування експоненціально з розміром системи, сказав Хоук.

Тео Пероннен, генеральний директор Alice & Bob, компанії, що розробляє відмовостійку квантову обчислювальну систему з Nvidia (NVDA )нещодавно заявив, що хоча квантова технологія ще недостатньо розвинена, щоб загрожувати сучасним криптографічним системам, вона може стати достатньо потужною, щоб зламати їх через кілька років після 2030 року.

Цей становить загрозу не лише для Біткойн (BTC ) і криптовалют, але також і до всіх банківських шифрувань. В інтерв'ю журналу Fortune він розповів:

«Перспектива квантових обчислень полягає в експоненціальному прискоренні, але якщо ви віддаляєте експоненціальну [криву], вона абсолютно плоска — і тоді це вертикальна стіна. Тож ми лише на початку перегину. Зараз він не потужніший за ваш смартфон. Але дайте йому пару років, і він стане потужнішим за найбільший суперкомп’ютер усіх часів»."

Однак компанії працюють над рішеннями, а дослідники розширюють охоплення квантових мереж. Минулого місяця дослідники з Пріцкерівської школи молекулярної інженерії Чиказького університету (UChicago PME) збільшив діапазон квантових зв'язків³ від кількох кілометрів до 2,000 км.

«Вперше технологія для побудови квантового інтернету глобального масштабу стала досяжною»."

– Доцент Тянь Чжун

У своєму дослідженні команда збільшила час когерентності окремих атомів ербію з 0.1 мілісекунди до понад 10 мілісекунд, а в одному випадку вони навіть досягли 24 мілісекунд.

Нововведення тут полягало в Будівля кристали, критично важливі для створювати квантове заплутування іншим способом. Для цього вони використовувати молекулярно-променева епітаксія (MBE), який схоже на 3D-друк. «Ми починаємо з нічого, а потім збираємо цей пристрій атом за атомом," він додав: «Якість або чистота цього матеріалу настільки висока, що квантові когерентні властивості цих атомів стають чудовими».

Інвестування в квантові технології

IonQ, Inc. (IONQ ) — це виключно квантова компанія, яка створює та комерціалізує квантові комп'ютери з акцентом на кубітах із захопленими іонами. Компанія пропонує квантове обладнання через основні хмарні платформи, роблячи квантові обчислення доступнішими та сприятливо позиціонуючи їх для комерційного використання, оскільки квантові технології рухаються до реального використання. 

Поточні показники акцій IonQ відображають це: їхня ціна зараз торгується за ціною $48.10, що на 21% менше за останній місяць, але зросла більш ніж на 18% з початку року та на 67.56% за останні три роки. Прибуток на акцію (TTM) становить -5.35, а коефіцієнт P/E (TTM) — -9.21.

Що стосується фінансової стійкості компанії, то вона повідомила про дохід у розмірі 39.9 млн доларів за третій квартал 2025 року, що на 222% більше, ніж у попередньому році. Її чистий збиток склав 1.1 млрд доларів, тоді як прибуток на акцію за GAAP становив 3.58 долара, а скоригований прибуток на акцію – 0.17 долара.

На кінець кварталу IonQ мала 1.5 мільярда доларів готівки, їх еквівалентів та інвестицій. 

«Ми досягли нашої технічної віхи 2025 року — #AQ 64 — на три місяці раніше, розблокувавши в 36 квадрильйонів разів більше обчислювального простору, ніж провідні комерційні надпровідні системи. Ми досягли справді історичної віхи, продемонструвавши світовий рекорд продуктивності двокубітного затвора в 99.99%, що підкреслює наш шлях до 2 мільйонів кубітів та 80 000 логічних кубітів у 2030 році»."

– Генеральний директор Нікколо де Масі

Протягом цього кварталу IonQ також завершила придбання Oxford Ionics та Vector Atomic і отримала новий контракт з Oak Ridge Nationa.Лабораторія для розробки прискорених квантово-класичних робочих процесів та передових енергетичних застосувань.

Натисніть тут, щоб переглянути список п'яти найкращих компаній у сфері квантових обчислень.

Останні новини акцій IonQ, Inc. (IONQ)

Висновок: Коли «хмара» стає квантовою

Квантові обчислення швидко еволюціонують від простої лабораторної цікавості до глобальної технологічної гонки, де такі гіганти галузі, як IBM, Google та Nvidia, підвищують можливості апаратного забезпечення до безпрецедентного рівня. Тим часом прориви в когерентності кубітів, квантовихКорекція помилок мікроскопа та заплутаність на великих відстанях неухильно вирішують давні проблеми цієї галузі.

Серед цього, пропозиція KAUST спрямована на створення «хмарних обчислень»" відчутна реальність, що живиться природними кріогенними температурами та постійним сонячним світлом. 

Ці досягнення показують, що ми наближаємося до історичного переломного моменту. Протягом наступного десятиліття цілком реально, що квантові обчислення нарешті перейдуть від теорії до практичність, змінюючи шифрування, науку та врешті-решт можливо навіть значення слова «хмара»" себе.

Натисніть тут, щоб переглянути список найкращих акцій хмарних обчислень.

Посилання

1. Абдеррахім В., Амін О. та Шихада Б. Зелені квантові обчислення в небі. Бездротові технології npj 1, стаття 5 (2025). https://doi.org/10.1038/s44459-025-00005-y
2. A. Eickbusch, M. McEwen, V. Sivak, A. Bourassa, J. Atalaya, J. Claes, D. Kafri, C. Gidney, C. Warren, J. Gross, A. Opremcak, N. Zobrist, KC Miao, G. Roberts, KJ Satzinger, A. Bengtsson, M. Neeley, WP Livingston, A. Greene, R. Acharya, L. Aghababaie Beni, G. Aigeldinger, R. Alcaraz, TI Andersen, M. Ansmann, F. Arute, …, A. Morvan et al. Демонстрація кодів динамічної поверхні. Фізика природи, 2025, Стаття опублікована 17 жовтня 2025 року. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03070-w
3. Gupta, S., Huang, Y., Liu, S., Pei, Y., Gao, Q., Yang, S., Tomm, N., Warburton, RJ, & Zhong, T. (2025). Подвійні епітаксіальні телекомунікаційні спін-фотонні інтерфейси з довгоживучою когерентністю. Природа зв'язку, 16, 9814. https://doi.org/10.1038/s41467-025-64780-6