Исследователи с факультета естественных наук Университета Ватерлоо и Института квантовых вычислений (IQC) в рамках сотрудничества в некоммерческой организации Open Quantum Design (OQD) решили создать первый в мире квантовый компьютер с открытым исходным кодом.

OQD была основана в 2024 году преподавателями кафедры физики и астрономии и IQC, докторами Кристал Сенко, Раджибулом Исламом и Роджером Мелко, а также генеральным директором Грегом Диком.

Группа помогает изменить подход к обмену результатами квантовых исследований. «Мы предлагаем общую площадку, где группы могут делиться тем, чем им удобно, и, будучи некоммерческой организацией, мы можем быть прозрачными в отношении реального прогресса без коммерческого давления», — отмечает Сенко.

В основе OQD лежит технология, включающая аппаратное обеспечение, электронные и вычислительные уровни, а также открытый софт. Разрабатываемый квантовый компьютер использует захват ионов, который включает в себя изоляцию заряженных атомов в вакууме и манипулирование ими с помощью лазеров и электромагнитных полей. Эта изоляция позволяет атомам действовать как квантовые биты, храня и обрабатывая информацию с помощью тщательно контролируемых взаимодействий. Исследователи развивают прототипы на ионах иттербия (171Yb+) и бария (138Ba+), в которых планируют реализовать 30-50 и 16 кубитов.

В OQD работают более 30 разработчиков программного обеспечения и десятки сотрудников лаборатории, включая студентов бакалавриата и участников кооператива Университета Ватерлоо, а также аспирантов. Инициатива основана на восьми годах разработки вычислительного оборудования в IQC, где Сенко и Ислам создали квантовый компьютер на основе захваченных ионов, который теперь является частью технологического стека с открытым исходным кодом OQD.

Вместо привлечения отдельных пользователей OQD ищет партнёров из числа организаций и уже заключила соглашения с Университетом Ватерлоо, Haiqu, Unitary Foundation и компанией Xanadu, занимающейся квантовым оборудованием. Они получают полный доступ к стеку и могут участвовать в деятельности OQD по управлению.

«Важно исследовать все различные вычислительные подходы, — говорит Сенко, — идеи, полученные на одной платформе, часто влияют на другую, но постоянные инвестиции в каждую из них также жизненно важны, если мы хотим понять весь потенциал квантовых компьютеров».

Кроме того, OQD способствует подготовке экспертов в области квантовых вычислений и развитию других областей квантовой информационной науки и технологий за счёт открытого доступа к квантовым компьютерам.

Компоненты квантового компьютера OQD включают вакуумную камеру, электроды, которые используют электромагнитный потенциал для захвата ионов в определённой её области, массив лазеров с различными длинами волн для инициализации, манипулирования и измерения ионов в ловушке. Кроме того, предусмотрены оптические элементы для управления частотой, поляризацией, фазой и интенсивностью лучей, а также управляющая электроника, которая в реальном времени координирует работу всех компонентов, используя платы FPGA и радиочастотные компоненты.

Пользовательский интерфейс представляет собой программное обеспечение, позволяющее пользователям получать доступ к квантовому компьютеру и запускать его для проверки идей. В OQD отмечают, что квантовый компьютер обеспечивает высокоточные операции и длительное время когерентности. Модульное аппаратное обеспечение управления в реальном времени построено на основе открытой аппаратной экосистемы Sinara. Система также предлагает набор современных классических эмуляторов для тестирования, прототипирования и проверки квантовых программ.

Все компоненты проекта, в том числе эмулятор квантового компьютера и стек для разработки приложений, распространяются на GitHub под лицензией Apache. Проект также запустил сайт с документацией.

Между тем учёные Массачусетского технологического института и MIT Lincoln Laboratory разработали фотонный чип, который охлаждает захваченные ионы в 10 раз ниже стандартного допплеровского предела — и делает это примерно за 150 микросекунд. Это первая реализация поляризационно-градиентного охлаждения на интегрированной платформе, которая может приблизить ионные квантовые компьютеры к реальному масштабированию.