Ваша следующая задача по дизайну может быть квантовой

Год 2030. Ваше программное обеспечение для электронного проектирования с квантовым усилением только что смоделировало новый материал для батарей на молекулярном уровне – работа, которая раньше занимала месяцы, теперь выполнена за полчаса. В другой части комнаты ваш коллега использует гибридную квантово-классическую систему для оптимизации сложной РЧ-схемы, одновременно исследуя миллионы возможных конфигураций. Тем временем эксперт вашей команды по криптографии внедряет последние квантово-устойчивые протоколы для защиты ваших проектов, поскольку традиционное шифрование больше не может обеспечить значимую защиту.

Это не научная фантастика. Это будущее инженерии в области электроники, и оно наступает быстрее, чем многие осознают. Квантовые вычисления стоят на пороге радикального изменения способов проектирования, моделирования и защиты электронных систем. Для инженеров это означает подготовку к волне потрясений и возможностей.

В знак признания ускоряющегося влияния квантовых технологий, Организация Объединенных Наций объявила 2025 год Международным годом квантовой науки и технологий. Эта инициатива будет способствовать продвижению растущей роли квантов в различных дисциплинах, поощряя общественное и профессиональное вовлечение в область.

Понимание квантового скачка

Чтобы понять, почему квантовые технологии важны, полезно сравнить их с классическими вычислениями. Классические компьютеры используют биты, которые могут быть либо 0, либо 1. Квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут быть одновременно и 0, и 1 – свойство, называемое суперпозицией. Когда кубиты становятся запутанными, их состояния связываются, что позволяет проводить параллельные вычисления по множеству возможностей. Эти особенности делают квантовые машины идеальными для задач, которые перегружают классические процессоры.

В основе этих квантовых машин лежит квантовый процессорный блок (QPU), аналог классического ЦПУ. QPU содержит кубиты, а также управляющую электронику и классическое оборудование, необходимое для их управления. Вместе они образуют точную систему, способную выполнять квантовые инструкции, фильтруя внешние помехи, которые могут нарушить хрупкие состояния кубитов.

Почему квантовые технологии важны для электроники

Квантовые вычисления уже начинают оказывать влияние на мир электроники. Выделяются три практические области:

• Открытие новых материалов: Симуляция молекулярных взаимодействий с помощью классических инструментов занимает много времени и часто бывает неточной. Квантовые системы могут моделировать эти поведения на квантовом уровне, ускоряя разработку полупроводников, батарей и других передовых материалов.
• Оптимизация дизайна: Квантовые компьютеры превосходно справляются с исследованием огромных пространств решений. Эта возможность открывает новые горизонты в аналоговом проектировании схем, дизайне ячеек памяти и других областях дизайна.
• Безопасность и устойчивость: По мере наращивания мощности квантовые машины угрожают разрушить современное шифрование. Но они также поддерживают создание алгоритмов, устойчивых к квантовым атакам, некоторые из которых уже встроены в аппаратное обеспечение сегодня.

Гонка к готовности

IBM, Google и D-Wave сделали значительные шаги вперед в технологии квантовых вычислений за последние два года, имея конкурентные планы развития, смелые исследовательские цели и растущую экосистему партнеров и клиентов, тестирующих квантовые решения. Эти компании формируют программные стеки, модели доступа к облаку и исследовательские сотрудничества, которые будут определять ранние приложения квантовых вычислений. Это слияние инноваций, обязательств и сотрудничества помогает сделать квантовые вычисления более актуальными для инженеров и ученых, работающих в "реальном мире", а не только для тех, кто работает в квантовых лабораториях. 

Квантовый процессор R2 IBM Heron, анонсированный в конце 2024 года, оснащен 156 кубитами с настраиваемой связью и работает в 50 раз быстрее своего предшественника, оригинального Heron, выпущенного в конце 2023 года. В сочетании с инструментами открытого программного обеспечения Qiskit, процессор R2 Heron может выполнять 5 000 операций с двумя кубитами, что вдвое больше предыдущего рекорда (по состоянию на конец 2024 года). По словам исследователей IBM, такая производительность готовит его к выполнению сложных квантовых вычислений. 

Квантовый процессорный блок Google Willow, анонсированный в декабре 2024 года, включает 105 сверхпроводящих трансмонных кубитов и продемонстрировал важный этап в коррекции квантовых ошибок: чем больше добавляется кубитов, тем ниже становятся показатели ошибок. Willow недавно завершил сложный бенчмарк менее чем за пять минут, задачу, на выполнение которой классическим суперкомпьютерам потребовалось бы невообразимое количество времени - 10 септиллионов лет!

В отличие от большинства конкурентов, D-Wave выбрала принципиально другой путь в квантовых вычислениях, сосредоточившись на квантовом отжиге – технике, специально предназначенной для решения задач оптимизации. В то время как квантовые компьютеры на основе вентилей (такие, как от IBM и Google) стремятся стать универсальными системами, способными выполнять широкий спектр алгоритмов, квантовые отжигатели, подобные D-Wave, являются высокоспециализированными. Они превосходно справляются с поиском оптимальных решений в огромных и сложных пространствах поиска, что делает их идеальными для логистики, планирования, машинного обучения и моделирования материалов.

В марте 2025 года D-Wave объявила, что ее система Advantage2, построенная на основе более чем 7000 сверхпроводящих кубитов и соединений кубитов в 20 направлениях, достигла значительного рубежа. Ей удалось успешно смоделировать сложную задачу из области науки о материалах всего за 20 минут. Традиционному суперкомпьютеру потребовалось бы предположительно один миллион лет для выполнения этой работы. Хотя это достижение не настолько драматично, как заявления о доминировании в бенчмарках систем на основе вентилей, оно подчеркивает уникальную силу D-Wave в применении квантовых инструментов к реальным промышленным задачам оптимизации.

Китайские исследователи объявили о создании Zuchongzhi 3.0, квантового процессора, скорость которого в квадриллион раз превышает скорость лучших суперкомпьютеров сегодняшнего дня. С 105 сверхпроводящими кубитами, чип показывает, что, несмотря на торговые санкции США, Китай является конкурентом в гонке за технологией квантовых вычислений.

Помимо этих привлекающих внимание чипов и машин, новая волна разработок демонстрирует динамику развития отрасли. Исследователи впервые связали несколько квантовых процессоров вместе в начале 2025 года, что является критическим шагом на пути к масштабируемости. Примерно в то же время, 56-кубитная квантовая система генерировала "сертифицированную случайность", создавая доказуемо непредсказуемые числа. Этот прорыв может революционизировать шифрование, симуляции и безопасную связь.

EDA Получает Квантовую Помощь

Проектирование высокопроизводительных схем является одной из самых сложных задач в области электронной инженерии. Классические инструменты EDA часто полагаются на метод грубой силы в симуляции и последовательное тестирование, что может занимать дни, недели или даже месяцы. Как представлено в нашем вступительном сценарии, инструменты EDA, усиленные квантовыми технологиями, обещают значительно ускорить этот процесс за счет одновременной оценки тысяч или миллионов возможных конфигураций. Это квантовое преимущество особенно важно для задач, таких как оптимизация аналоговых схем, маршрутизация компоновки и распределение мощности, где пространство решений быстро становится слишком обширным для того, чтобы классические инструменты могли исследовать его исчерпывающе.

Тем временем компании, такие как NVIDIA и Keysight, сотрудничают с Google Quantum AI для продвижения крупномасштабных симуляций квантовых схем и разработки новых методов моделирования для сверхпроводящих компонентов. Гибридные архитектуры – сочетание классических проектных потоков с квантовыми ускорителями – уже демонстрируют заметные улучшения в целевых задачах, отмечая переход от экспериментальной новинки к прикладному инженерному инструменту.

Начало работы с квантовыми инструментами

К счастью, для начала работы не требуется квантовая лаборатория. Платформы с доступом через облако позволяют инженерам тестировать квантовые и квантово-вдохновленные техники оптимизации без специализированной инфраструктуры.IBM Qiskit Metal интегрируется с привычными инструментами EDA и симуляции, позволяя инженерам проектировать квантовое оборудование на Python. Amazon Braket и Microsoft Azure Quantum предоставляют доступ к квантовым процессорам через облако, включая системы от IonQ, Rigetti и D-Wave.

Преодоление реальных проблем

Несмотря на обещания, сегодняшние квантовые машины остаются чувствительными и требовательными к ресурсам. Системы на основе сверхпроводящих кубитов обычно требуют разбавительных холодильников и оборудования для экранирования для поддержания криогенных температур около абсолютного нуля – условий, которые очень чувствительны к внешнему шуму. Даже маломасштабные процессоры требуют стабильной термической среды, точного управления микроволнами и обширной калибровки.

Эти физические и инженерные ограничения снижают доступность квантового оборудования для практического использования. Но они также стимулируют инновации в миниатюризации, криоэлектронике и модульном дизайне. Инженеры разрабатывают крио-CMOS схемы, экспериментируют с сверхпроводящими соединениями и усовершенствуют интерфейсы, которые связывают квантовый и классический миры. Прогресс есть, но надежные, масштабируемые системы все еще сталкиваются с серьезными инженерными проблемами в области энергопотребления, стоимости и интеграции систем.

Куда движется инженерия дальше

Квантовая эра не заменит классическую электронику. Она будет дополнять и ускорять её. Для инженеров это означает новые инструменты для решения проблем, которые ранее считались непрактичными или невозможными. По мере развития этих возможностей те, кто изучает их сейчас, приобретут техническую грамотность, необходимую для того, чтобы формировать способы интеграции квантовых возможностей в системы, которые будут переопределять то, как мы проектируем, симулируем и обеспечиваем безопасность электроники в квантовую эру.