Coherence Quantum привлекла 2,78 млн евро, чтобы снизить нагрев внутри квантовых компьютеров
Представьте себе квантовый компьютер как очень хрупкую машину, которой необходимо работать в условиях экстремального холода. Процессор выполняет вычисления, но для работы ему требуется множество вспомогательных устройств.
Процессор находится внутри специального холодильника, который охлаждает его до температур, близких к абсолютному нулю. От внешней стороны холодильника к чипу идут кабели, по которым передаются сигналы, управляющие крошечными вычислительными элементами — кубитами.
Проблема в том, что по мере роста мощности квантовых компьютеров управлять всеми этими соединениями становится всё сложнее. Слишком много кабелей занимают место, усложняют систему и могут ограничить возможности масштабирования технологии.
Именно эту проблему хочет решить Coherence Quantum: финский стартап разрабатывает технологию, которая упростит управление квантовыми компьютерами по мере их масштабирования.
Компания из Эспоо, выделившаяся из Университета Аалто, привлекла 2,78 млн евро в рамках посевного раунда, который возглавила Lifeline Ventures. В раунде также участвовал Мартен Миккос, бывший генеральный директор MySQL.
Если объяснить совсем просто, они пытаются управлять тысячами крошечных устройств внутри морозильника, где настолько холодно, что почти всё приходится специально проектировать для работы в таких условиях.
Каждому устройству нужны соединения с внешним миром, и чем больше устройств вы добавляете, тем сложнее становится проводка. Именно здесь Coherence Quantum хочет упростить управление этими соединениями.
Чтобы лучше разобраться, что такое квантовый компьютер и чем занимается эта удивительная команда умных людей, я задал несколько вопросов Аашишу Саху (генеральному директору), Суману Кунду (техническому директору), Эркки Сойнинену (директору по продукту) и Микко Мёттёнену (советнику-основателю).
«При переходе от сотен кубитов к тысяче потребуется как минимум 3 000 линий управления», — рассказал мне в эксклюзивном интервью Аашиш Сах, генеральный директор и сооснователь компании.
«В стандартные холодильники, которые есть у нас сейчас, помещается около тысячи линий управления. Так что компании уже сталкиваются с узким местом».
Чтобы объяснить, почему это важно, Сах начал с двух слов, помогающих понять описание деятельности самой компании: «криогенный» и «квантовый».
Цепь, подчиняющаяся другим законам
«Чтобы наблюдать квантовое поведение, нужны низкие температуры», — сказал он.
Кубиты, с которыми работает Coherence Quantum, — это не экзотические частицы, а, по словам Саха, «электрические цепи, созданные на чипе». Их охлаждают до тех пор, пока они не перестают вести себя как обычная электроника и не начинают подчиняться законам квантовой механики. Квантовые компьютеры используют это поведение для обработки информации способами, недоступными классическим машинам.
По словам Саха, кубиты можно создавать шестью или семью способами, в том числе на основе захваченных ионов, нейтральных атомов и частиц света. Coherence Quantum сосредоточилась на двух типах, которые создаются непосредственно на чипах: сверхпроводящих кубитах и спиновых кубитах. Для работы обоих типов необходима температура, близкая к абсолютному нулю.
Пока никому не удалось создать квантовый компьютер, который решал бы полезные задачи в промышленных масштабах.
«Мы ещё не достигли этой цели, мы всё ещё пытаемся к ней приблизиться», — сказал Сах.
Главное препятствие, по его словам, — масштаб: переход от сотен кубитов к тысячам, а в конечном счёте — к сотням тысяч. Эта цель «постоянно меняется по мере того, как мы лучше понимаем алгоритмы и сферы применения».
Холодильник, не похожий на тот, что стоит у вас на кухне
Основатели постоянно называли его «холодильником», поэтому я спросил, что это значит на практике и как выглядит рефрижератор растворения. Технический директор Суман Кунду работает с такими устройствами уже больше десяти лет. Раньше низкотемпературная физика означала, что с жидким гелием и жидким азотом приходилось работать вручную, объяснил он.
Современный рефрижератор растворения циркулирует хладагент в замкнутой системе и охлаждает чип примерно до 10 милликельвинов, так что это скорее лабораторный прибор, чем бытовой холодильник.
Но и этого может быть недостаточно: по словам основателей, кубиты часто ведут себя так, словно их температура составляет 50–70 милликельвинов, — в несколько раз выше, чем температура окружающего их холодильника. Причина в том, что тепло и шум проникают внутрь по проводам. Чем ниже удаётся снизить эту температуру, тем стабильнее становятся кубиты, а в квантовых вычислениях это означает меньше ошибок.
Сегодня сигналы для квантового процессора генерируют громоздкие приборы, находящиеся при комнатной температуре, и по кабелям отправляют их внутрь холодильника. Эти кабели переносят не только сигналы, но и тепло.
По словам Саха, внутри холодильника рассеивается более 99% управляющего сигнала, поступающего из помещения с комнатной температурой. Это нагревает холодильник и создаёт шум, который мешает работе кубитов. При масштабах, к которым стремится отрасль, такой подход, по его выражению, «физически и экономически неустойчив».
У компании есть также четыре патентные заявки. Сах начал рассказ с одной из них. Она касается компонентов, которые, по его словам, в 100 раз уменьшают возмущение кубитов, вызванное теплом.
«Если рассеивание происходит не рядом с кубитом, шум не создаёт помех процессору», — сказал он.
Перед интервью я изучил собственные исследования Саха, посвящённые встроенным в чип фильтрам, которые блокируют шум на частоте кубита. Эта работа началась во время его докторантуры в Университете Аалто, в лаборатории Микко Мёттёнена — сооснователя IQM и QMill, а ныне советника-основателя Coherence Quantum. Он называет эту проблему «задачей изоляции и управления».
Кубит сохраняет своё хрупкое квантовое состояние, только если изолирован от окружающей среды, и в то же время для выполнения любых вычислений его необходимо подключить к электронике.
«Если изолировать его, он будет существовать очень долго», — сказал он.
«Это идеальная квантовая система, но с ней нельзя сделать ничего полезного».
Он объяснил, что каждый провод, позволяющий инженерам управлять кубитом, одновременно служит каналом утечки его энергии.
Физики измеряют, как долго кубит остаётся в возбуждённом состоянии. Этот показатель называется временем релаксации, или T1: когда кубит переводят из состояния с наименьшей энергией в состояние с более высокой, T1 показывает, как долго он остаётся в нём, прежде чем вернуться обратно. Чем дольше он сохраняет это состояние, тем больше полезной работы может выполнить.
Первый подход Саха заключался в использовании фильтров, которые блокировали шум на собственной частоте кубита, в то время как управляющий сигнал подавался на частоте втрое ниже. Это сработало, но слишком сильное воздействие переводило кубит в нежелательные состояния. Следующая разработка — перестраиваемый фильтр, который со временем подключает кубит к внешнему миру и отключает от него, — стала предметом второй патентной заявки компании.
Третья разработка появилась случайно, во время работы над перестраиваемым фильтром: команда поняла, что изменение связи кубита с окружающей средой меняет и время его жизни — от сотен наносекунд до сотен микросекунд. Так кубит превратился в термометр, помогающий разработчикам оценивать тепловой шум, достигающий кубита, и находить его источник.
Четвёртая разработка, которую компания называет «квантовым переключателем», основана на простом наблюдении.
«Не все операции с кубитом нужно выполнять одновременно», — сказал Сах.
Сброс кубита, считывание его состояния и выполнение операции происходят в разное время, поэтому переключатель подключает каждую функцию только тогда, когда она нужна.
«Если связать кубит со множеством систем, у него будет много систем, в которые он сможет распасться», — сказал он.
Чем меньше постоянных соединений, тем дольше живёт кубит и тем меньше линий ведёт внутрь холодильника.
Я хотел узнать, не были ли эти компоненты просто тем, чего до сих пор не было в отрасли.
«Не совсем», — ответил Сах. Многие компоненты существуют уже много лет, и разработчики по-прежнему могут купить их в готовом виде. Coherence Quantum разрабатывает компоненты, на которые поданы патентные заявки; они предназначены для защиты кубита от шума, пропускаемого существующими компонентами.
Общая идея — перенести часть сигнальной цепи в холодную зону, фильтруя и генерируя сигналы рядом с процессором, а не прокладывая всё сверху. Сах сравнил это с эволюцией классических компьютеров: от машин на вакуумных лампах, занимавших целые здания, до ноутбуков.
«Мы не разрабатываем транзисторы в прямом смысле, но создаём похожую электронику, которую можно сделать компактной, разместить ближе к квантовому процессору и обеспечить ей сопоставимую производительность», — сказал он.
По его словам, большие языковые модели стремительно развиваются, тогда как робототехника, гораздо более старая область, по-прежнему отстаёт. И дело не в том, что инженеры-разработчики аппаратного обеспечения работают менее усердно, а в том, что физические системы требуют гораздо большего числа циклов доработки.
«Нам нужно многое сделать в области аппаратного обеспечения, чтобы создать эту часть компьютера».
Сах, Кунду и Эркки — физики, которые решили основать компанию. История началась примерно в 2024 году, когда исследователи получили финансирование Research-to-Business, чтобы превратить свои разработки в прототипы. Первые испытания в собственной лаборатории показали, что им удаётся снизить температуру кубитов.
«У нас были отличные научные компетенции, но не хватало навыков в бизнесе и коммерциализации», — сказал Сах.
Восполнить этот пробел помог Эркки Сойнинен — опытный специалист по продуктам с более чем 30-летним стажем, ранее работавший в компании Bluefors, производящей криогенное оборудование. Он присоединился к проекту в качестве советника во время программы Research-to-Business, то есть ещё до выделения компании в отдельную структуру, а затем, по словам Саха, «решил полностью посвятить себя этому делу» и стал сооснователем и директором по продукту. Вместе с ним компанию основал технический директор Суман Кунду.
Пока я освещал эту историю и рассказывал о других квантовых компаниях, Финляндия постоянно возникала в разговоре. Я задумался, что именно отличает финские исследования в области квантовых технологий.
В 1965 году Олли Лоунасмаа основал Лабораторию низких температур в нынешнем Университете Аалто, а позднее направил её опыт в области сверхчувствительных магнитных измерений на изучение мозга.
В этих измерениях использовались сверхпроводящие датчики, и Сах напрямую связывает их с кубитами, которые сегодня создают IBM, Google и IQM.
«Чтобы заняться той или иной областью исследований, нужен один профессор-визионер», — сказал он.
Компания Bluefors, чьи рефрижераторы растворения сегодня используют разработчики квантовых компьютеров по всему миру, выделилась из этой лаборатории в 2008 году. В той же экосистеме, наряду с национальным исследовательским центром VTT, появилась и IQM.
Университет Аалто также предлагает программу бакалавриата по квантовым технологиям. По словам Саха, студенты пишут дипломные работы в местных компаниях и нередко получают там свою первую работу.
В сфере, где специалистов не хватает, «особенно в небольших странах, таких как наши северные соседи», этот поток кадров имеет большое значение.
На самом деле меня больше всего интересовал простой вопрос: что квантовые технологии могут дать человечеству и современному обществу?
Сах начал ответ с истории, а не обещаний. По его словам, большинство направлений физики начинаются с любопытства, а практическое применение находят позднее. В качестве примера он привёл теорию электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла, которая легла в основу технологий, о которых сам учёный и представить не мог.
«Никто не мог с самого начала сказать, что занятия этой областью физики приведут к такому множеству применений», — сказал он.
Квантовую механику он назвал «одним из самых точных из существующих описаний природы» и перечислил задачи, в решении которых квантовые компьютеры, как ожидается, превзойдут классические: химия, физика сложных материалов и разработка лекарств. Перспективы применения в финансах и оптимизации менее определённы.
Эта же физика уже позволяет создавать датчики, которые, по его словам, «гораздо точнее существующих», а также новые средства защищённой связи.
Создание квантового оборудования требует значительных вложений, и Coherence Quantum рассчитывает, что отрасль продолжит инвестировать в эту сферу, пока исследователи работают над отказоустойчивыми машинами, способными обнаруживать и исправлять собственные ошибки.
Coherence Quantum сосредоточилась на том, что основатели называют криогенным уровнем управления, — технологии, которая соединяет квантовые биты, или кубиты, с электроникой за пределами холодильника.
Основатели считают этот уровень важной частью системы, которой уделяют меньше внимания, чем разработке кубитов или квантового программного обеспечения. По их мнению, по мере роста квантовых компьютеров этот уровень должен развиваться в том же темпе.
Первый посевной раунд позволит компании оборудовать лабораторию в Эспоо, создать первые прототипы продукции и наладить производственные процессы, а также расширить команду.
«Если квантовые компьютеры будут масштабироваться, архитектура вокруг кубитов тоже должна масштабироваться», — сказал Петтери Копонен из Lifeline Ventures.
Пока главный приоритет — создание базовой технологии. Сах ожидает, что практические применения появятся по мере развития квантовых компьютеров.
«Сейчас наша задача — просто построить систему, — сказал он, —, а новые области применения найдутся со временем».
Создать более крупный квантовый компьютер — это не просто добавить больше кубитов. Нужно ещё и найти способ управлять ими всеми, не заполняя машину тысячами кабелей.
Именно эту проблему пытается решить Coherence Quantum. Сегодня квантовые компьютеры используют множество кабелей для передачи сигналов процессору. Но с добавлением новых кубитов проводкой становится всё сложнее управлять, а по ней в среду, которая должна оставаться чрезвычайно холодной, проникает нежелательное тепло.
Coherence Quantum хочет сократить число кабелей, разработав компактные компоненты, способные управлять кубитами изнутри холодильника. Если этот подход сработает, он упростит создание более крупных квантовых компьютеров без постоянного увеличения числа проводов.
