Fale dźwiękowe oferują przełom w przechowywaniu informacji kwantowych

Komputery kwantowe obiecują niespotykaną dotąd szybkość rozwiązywania złożonych problemów, co doprowadzi do przełomów w dziedzinach sztucznej inteligencji, finansów, logistyki, nauki o materiałach, odkrywania leków i kryptografii.

Choć potencjał tej technologii jest ogromny, niełatwo to zrozumieć, ponieważ w praktyce okazało się, że naprawdę trudno uruchomić komputery kwantowe i wykorzystać je do rozwiązywania rzeczywistych problemów.

Komputery kwantowe to wciąż technologia eksperymentalna, którą prowadzą naukowcy pracujący na pokonanie przeszkody występować dokładne symulacje zjawisk na poziomie kwantowym. Jednym z głównych problemów jest tutaj przechowywanie informacji Dawno.

Ten Dzieje się tak dlatego, że chociaż nadprzewodzące kubity posiadają duże możliwości przetwarzania informacji kwantowej, to charakteryzują się dość ograniczonym czasem koherencji.

Spójność to zdolność układu kwantowego do utrzymywania relacji między różnymi stanami w superpozycji. Ta fundamentalna właściwość pozwala kubitom istnieć w liniowej kombinacji stanów bazowych, umożliwiając paralelizm i interferencję, które stanowią istotę obliczeń kwantowych. 

Niezbędna do wykonywania operacji kwantowych, koherencja jest dość krucha i może łatwo się zgubić nawet poprzez niewielkie interakcje ze środowiskiem.

W przypadku braku koherencji, kubit traci właściwości kwantowe, co sprawia, że ​​obliczenia kwantowe stają się bezsensowne. Tymczasem dekoherencja to proces, w którym traci się koherencję, i nadal stanowi ona poważne wyzwanie w budowie i eksploatacji komputerów kwantowych.

Obecnie nadprzewodzące kubity stanowią fizyczny sposób realizacji kubitów, a ich działanie opiera się na zachowaniu spójności kwantowej. Ale oczywiście, dekoherencja pozostaje ich największym wyzwaniem.

Kubity nadprzewodzące To maleńkie obwody wykonane ze specjalnych materiałów, które wykorzystują zjawiska kwantowe, takie jak superpozycja i splątanie, do wykonywania obliczeń. Materiały używane do budowy obwodów są schładzane do temperatury bliskiej zera absolutnego, co czyni je nadprzewodnikami, co oznacza, że ​​mogą przewodzić prąd elektryczny bez oporu.

Choć te nadprzewodzące kubity znakomicie sprawdzają się przy szybkich obliczeniach, mają problemy z przechowywaniem informacji przez dłuższy czas.

Interfejs między fotonami i fononami mógłby jednak umożliwić przesyłanie informacji kwantowej być przechowywany w długowiecznych oscylatorach mechanicznych. Zespół z Caltech właśnie to zrobił: wprowadził platformę, która wykorzystuje siły elektrostatyczne w strukturach nanometrycznych, aby uzyskać silne sprzężenie między kubitem a oscylatorem nanomechanicznym.

Czas rozpadu energii (T1) wynosi około 25 ms, co przewyższa czasy osiągane w zintegrowanych układach nadprzewodzących.

Aby zbadać źródła dekoherencji, a także ograniczyć jej wpływ, zespół wykorzystał operacje kwantowe. Zastosowanie dwuimpulsowych sekwencji dynamicznego rozsprzęgania pozwoliło im osiągnąć dłuższy czas koherencji (T2) wynoszący 1 ms, czyli więcej niż 64 μs.

ustalenia badania pokazują, że w urządzeniach nadprzewodzących, oscylatory mechaniczne mogą służyć jako pamięci kwantowe, z dotychczasowy potencjał do być użytym w zakresie obliczeń kwantowych, czujników i transdukcji.

Jak fale dźwiękowe dłużej przechowują stany kwantowe

Komputery konwencjonalne lubić laptopy i telefony przechowują informacje w formie bitów.

Bity to najmniejsze jednostki informacji cyfrowej, podstawowe elementy logiki przyjmujące pojedynczą wartość binarną wynoszącą zero lub jeden.

Komputery kwantowe mogą z kolei osiągać stan, w którym jednocześnie jest zero i jeden. Jest to tzw. superpozycja. To właśnie dzięki temu komputery kwantowe obiecują rozwiązanie problemów, z którymi nie poradzą sobie klasyczne komputery.

Wiele istniejących komputerów kwantowych bazują nad nadprzewodzącymi układami elektronicznymi, w których elektrony przepływają bez oporu w ekstremalnie niskich temperaturach. W tych układach, gdy kwantowa natura elektronów przepływa przez rezonatory, tworzą one nadprzewodzące kubity.

Te kubity świetnie radzą sobie z wykonywaniem operacji logicznych wymaganych do obliczeń. Nie są jednak zbyt dobre w przechowywaniu informacji, co jest reprezentowany za pomocą deskryptorów matematycznych określonych układów kwantowych. 

Aby wydłużyć czas przechowywania stanów kwantowych, inżynierowie badają możliwość zbudowania „pamięci kwantowych” dla nadprzewodzących kubitów.

Zespół naukowców z Caltech wybrał hybrydową metodę otrzymywania pamięci kwantowych. 

Dzięki temu podejściu informacja elektryczna została skutecznie przekształcona w dźwięk. Aby przełożyć informację kwantową na fale dźwiękowe, użyli maleńkiego urządzenia, które działa jak miniaturowy kamerton.

Ten umożliwiło wydłużenie czasu życia stanów kwantowych nawet trzydziestokrotnie w porównaniu z innymi technikami, co stworzyło podwaliny pod skalowalne, praktyczne komputery kwantowe o pojemności nie tylko obliczać ale pamiętaj też.

„Gdy już masz stan kwantowy, możesz nie chcieć od razu nic z nim robić. Potrzebujesz sposobu, żeby do niego wrócić, kiedy będziesz chciał wykonać operację logiczną. Do tego potrzebna jest pamięć kwantowa”.

– Mohammad Mirhosseini, adiunkt na wydziale elektrotechniki i fizyki stosowanej na Uniwersytecie Caltech

Badanie zostało dofinansowane przez Narodową Fundację Nauki i Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych był prowadzony przez studentów Caltech Alkima Bozkurta i Omida Golamiego oraz była opublikowany¹ w czasopiśmie Nature Physics.

Szczegółowo opisano w nim wytwarzanie nadprzewodzącego kubitu na chipie, który został następnie podłączony do maleńkiego urządzenia zwanego oscylatorem mechanicznym.

Oscylator mechaniczny to układ, który charakteryzuje się ruchem oscylacyjnym. Jest istotnie miniaturowy kamerton, który w przypadku tego badania składa się z elastycznych płytek. Te talerze są wibrowane wykorzystując fale dźwiękowe o częstotliwościach gigahercowych (GHz).

Gdy zespół umieścił ładunek elektryczny na tych elastycznych płytkach, mogły one oddziaływać z sygnałami elektrycznymi przenoszącymi informacje kwantowe, co pozwalało na ich przesłanie do urządzenia w celu zapisania jako „pamięci”, a następnie przesłanie na zewnątrz lub „zapamiętanie” w późniejszym czasie.

Naukowcy zmierzyli jak długo Oscylator musiał utracić swoją zawartość kwantową w momencie, gdy informacja dotarła do urządzenia. 

„Okazuje się, że te oscylatory mają żywotność około 30 razy dłuższą niż najlepsze dostępne nadprzewodzące kubity”.

– Mirhosseini

Ta metoda konstruowania pamięci kwantowej ma różne korzyści nad innymi technikami. Przykładowo fale akustyczne przemieszczają się znacznie wolniej niż fale elektromagnetyczne, co pozwala na konstruowanie urządzeń o mniejszych rozmiarach.

Fale elektromagnetyczne (EM) to poprzeczne fale oscylujących pól elektrycznych i magnetycznych, które przenoszą energię w przestrzeni. Powstają one w wyniku przyspieszania naładowanych cząstek i obejmują spektrum obejmujące fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promienie rentgenowskie i promienie gamma. 

Przesuń, aby przewijać →

Wszystkie pola elektromagnetyczne poruszają się z prędkością światła w próżni i nie potrzebują ośrodka do rozprzestrzeniania się.

Fale akustyczne to fale mechaniczne, podobnie jak fale dźwiękowe, które przenoszą energię przez ośrodek taki jak ciało stałe, ciecz lub gaz, powodując drgania, ściskanie i rozszerzanie się cząsteczek ośrodka. Fale te charakteryzują się według takich właściwości, jak częstotliwość, amplituda i długość fali. Fale akustyczne obejmują zakres częstotliwości, w tym infradźwięki i ultradźwięki.

Ponieważ drgania mechaniczne, w przeciwieństwie do fal elektromagnetycznych, nie rozchodzą się w wolnej przestrzeni, energia nie wycieka z układu i może być silniej uwięzione w medium, co pozwala na dłuższy czas przechowywania i ogranicza niepożądaną wymianę energii między pobliskimi urządzeniami.

Korzyści te dają możliwość wielu takich kamertonów być uwzględnione w pojedynczy układ, zapewniający skalowalność droga do pamięci kwantowych.

Według Mirhosseiniego badanie wykazało minimalną interakcję między falami akustycznymi i elektromagnetycznymi potrzebne aby zbadać przydatność tego hybrydowego systemu do wykorzystania jako elementu pamięci. 

„Aby ta platforma była naprawdę użyteczna dla komputerów kwantowych, musimy być w stanie wprowadzać dane kwantowe do systemu i znacznie szybciej je pobierać. To oznacza, że ​​musimy znaleźć sposoby na zwiększenie szybkości interakcji od trzech do dziesięciu razy w porównaniu z możliwościami naszego obecnego systemu” – powiedział Mirhosseini. I zespół ma pomysły w celu jak to osiągnąć.

Sprzęt i oprogramowanie kwantowe: droga do zastosowań komercyjnych

Prace nad nowym urządzeniem, stworzonym przez naukowców z Caltech, trwają już od pewnego czasu.

Kilka lat temu, w swojej poprzedniej pracy, zespół pokazał ten dźwięk, szczególnie fonony, które są pojedyncze cząsteczki wibracji mniej więcej jak fotony jest, mogłoby zapewnić łatwy sposób przechowywania informacji kwantowych.

W tym czasie grupa Mirhosseiniego pokazał nową metodę w laboratorium, w której badano fonony ze względu na względną wygodę budowy małych urządzeń mogących przechowywać te fale mechaniczne.

Zespół testował w eksperymentach urządzenia, które nadawały się do współpracy z nadprzewodzącymi kubitami, ponieważ pracują one na tych samych, bardzo wysokich częstotliwościach GHz.

Ludzie słyszą dźwięki w zakresie od herców do kiloherców (do ok. 20 kHz), natomiast urządzenia działają z częstotliwością gigaherców (miliardów cykli na sekundę) — około 50,000 XNUMX razy wyższą.

Przetestowane urządzenia charakteryzowały się także długą żywotnością i dobrze radziły sobie w niskich temperaturach, które są niezbędne do zachowania stanów kwantowych w przypadku nadprzewodzących kubitów.

Jak zauważył wówczas Mirhosseini, inne badania dotyczyły piezoelektryków, specjalnego rodzaju materiałów, jako sposobu na przekształcanie energii mechanicznej w energię elektryczną w zastosowaniach kwantowych. Dodał:

„Materiały te powodują jednak utratę energii w przypadku fal elektrycznych i dźwiękowych, a strata ta jest poważnym problemem w świecie kwantowym”.

Natomiast nowatorska technika opracowana przez zespół Caltech nie opiera się na właściwościach konkretnych materiałów i jako taka nadaje się do stosowania w przypadku już istniejących urządzeń kwantowych wykorzystujących mikrofale.

Zbudowanie wydajnych urządzeń pamięci masowej o kompaktowych rozmiarach stanowi kolejne wyzwanie dla osób zajmujących się zastosowaniem technologii kwantowych.

To wyzwanie jest również adresowany za pomocą nowej metody, która „umożliwia przechowywanie informacji kwantowej z obwodów elektrycznych przez okres o dwa rzędy wielkości dłuższy niż w przypadku innych kompaktowych urządzeń mechanicznych” – powiedział główny autor badania Bozkurt, który jest studentem w grupie Mirhosseiniego.

Choć platforma fal dźwiękowych Caltech jest obiecująca, to tylko część znacznie większego projektu badawczego, prowadzonego w różnych instytucjach na całym świecie. Naukowcy testują różnorodne metody, aby sprostać wyzwaniom związanym z komputerami kwantowymi. 

Na przykład naukowcy z University of Southern California mają zwrócił się ku matematyce².

Wykorzystują pomijanie do rozwiązania niektórych problemów z kubitami topologicznymi. Ta klasa teoretycznych cząstek, które nazywane są takie jak oni zostały wyprowadzone z przeoczonego teoretycznego matematyka, może otworzyć nową ścieżkę prowadzącą do eksperymentalnego urzeczywistnienia uniwersalnych topologicznych komputerów kwantowych.

„Moim celem jest przedstawienie jak najbardziej przekonujących argumentów innym badaczom, że niespójne ramy są nie tylko słuszne, ale stanowią również fascynujące podejście do lepszego zrozumienia teorii kwantowej”.

– Współautor Aaron Lauda

Tymczasem naukowcy stosują inne podejście, kontrolując światło emitowane przez kropki kwantowe, co może prowadzić do tańszych, szybszych i oczywiście praktyczniejszych technologii kwantowych.

W tym celu współpraca badawcza odkryła nową metodę³ opiera się na wymuszonym wzbudzeniu dwufotonowym, co pozwala kropkom kwantowym emitować strumienie fotonów o odmiennych stanach polaryzacji, bez konieczności stosowania elektronicznego sprzętu przełączającego. Podczas testów naukowcy byli w stanie do skutecznie produkować doskonałe stany dwufotonowe, podczas gdy konserwacja niezwykłe właściwości pojedynczych fotonów.

„To podejście jest wyjątkowo eleganckie, ponieważ przenieśliśmy złożoność z drogich, generujących straty komponentów elektronicznych po emisji pojedynczego fotonu na etap wzbudzenia optycznego. Jest to znaczący krok naprzód w kierunku uczynienia źródeł kropek kwantowych bardziej praktycznymi w zastosowaniach rzeczywistych”.

– Główny badacz, Vikas Remesh

Następnie mamy zespół z Grainger College of Engineering na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign, który ma zaprezentowała modułową konstrukcję o wysokiej wydajności⁴ dla nadprzewodzących procesorów kwantowych z dokładnością ~99%. 

Architektura modułowa, w przeciwieństwie do restrykcyjnych projektów monolitycznych, zapewnia większą skalowalność, łatwiejsze wprowadzanie ulepszeń i odporność na niespójności.

Chociaż większość wysiłków nadal koncentruje się na części sprzętowej komputerów kwantowych, obecnie obserwuje się przesunięcie w stronę oprogramowania, ponieważ ludzie uważają tę technologię za „na progu osiągnięcia opłacalności komercyjnej”, a co za tym idzie, potrzeba zrobienia z nimi czegoś pożytecznego.

W związku z tym firma Phasecraft, zajmująca się algorytmami kwantowymi, zebrała 34 miliony dolarów od kilku inwestorów, w tym od firmy inwestycyjnej powiązanej z duńskim gigantem farmaceutycznym Novo Nordisk (NVO + 0.19%). 

Algorytmy Phasecraft, jej dyrektor generalny, Ashley Montanaro, wierzy, będzie w stanie przeprowadzać „naukowo ważne” obliczenia już „następnej wiosny”, a niektóre użyteczne komercyjnie aplikacje mogą być dostępne „w ciągu najbliższych kilku lat”.

Obecnie rośnie zainteresowanie algorytmami. Niedawno badacz z Google ogłosił, że opracował 20-krotnie mniejszą skalę komputera kwantowego potrzebnego do uruchomienia algorytmu Shora, co może być użytym złamać najpopularniejsze obecnie formy szyfrowania. 

W odpowiedzi deweloper Hunter Beast ma wprowadzono BIP 360 próbując uczynić Bitcoina (BTC) odpornym na obliczenia kwantowe.

W międzyczasie firma Norma, zajmująca się komputerami kwantowymi, potwierdziła wydajność swoich algorytmów sztucznej inteligencji kwantowej w zakresie opracowywania leków przy użyciu technologii NVIDIA CUDA-Q, odnotowując około 73-krotnie większą szybkość obliczeń.

Inwestowanie w komputery kwantowe

Wiele znanych nazwisk prowadzi badania nad nadprzewodzącymi komputerami kwantowymi, w tym IBM (IBM + 0.12%), Intel (INTC -6.53%)i wiele innych. Ale dzisiaj przyjrzymy się bliżej Honeywell International (HON -0.27%), która jest silnie zaangażowana w obliczenia kwantowe poprzez swoje większościowe udziały w Quntinuum. 

Kwantowy, A Honeywell International (HON -0.27%) Firma

Quantuum to firma zajmująca się komputerami kwantowymi, utworzona w 2021 roku w wyniku fuzji Cambridge Quantum i Rozwiązania Honeywell Quantum. W celu Aby przyspieszyć rozwój komputerów kwantowych odpornych na błędy, firma pozyskała finansowanie od inwestorów lubić JPMorgan Chase.

W zeszłym roku to wykazać Najbardziej niezawodne kubity logiczne w historii. Quantinuum zastosowało przełomowy system wirtualizacji kubitów firmy Microsoft, z diagnostyką i korekcją błędów, w swoim sprzęcie pułapek jonowych, aby przeprowadzić ponad 14,000 XNUMX indywidualnych eksperymentów bez ani jednego błędu. 

W zeszłym miesiącu Quntinuum uruchomiona dwa nowe komponenty oprogramowania typu open source, w tym Guppy, język hostowany w Pythonie, który jego dyrektor generalny, Rajeeb Hazra, określił jako „zmianę paradygmatu dla programistów” oraz emulator o nazwie Selene, który jest „cyfrowym bliźniakiem” naśladującym zachowanie kwantowe, umożliwiając programistom testowanie i debugowanie kodu.

Nowa platforma pełnego stosu została stworzona z myślą o zbliżającym się wprowadzeniu na rynek kolejnej generacji komputera kwantowego firmy Quntinuum o nazwie Helios.

Tak więc, Firma prowadzi prace badawcze i komercyjne nad rozwojem sprzętu i oprogramowania kwantowego w takich obszarach jak sztuczna inteligencja, cyberbezpieczeństwo, symulacje chemiczne i inne zastosowania.

Dzięki Quntinuum firma Honeywell udoskonaliła komputery kwantowe wykorzystujące uwięzione jony, które posługiwać się elektromagnetycznie uwięzione jony jako kubity do obliczeń o wysokiej dokładności dla klientów in różnych sektorach, w tym opieki zdrowotnej, finansów i usług komunalnych.

Zintegrowana spółka operacyjna to głównie zaangażowany w trzy megatrendy, które są automatyzacja, lotnictwo i transformacja energetyczna. Tymczasem prezentuje kilka kluczowych segmentów:

• Technologie lotnicze i kosmiczne
• Automatyka przemysłowa
• Automatyka budynkowa i energetyka
• Zrównoważone rozwiązania

Przy kapitalizacji rynkowej wynoszącej 139.36 mld dolarów, akcje HON, w chwili pisania tego tekstu, są notowane po 218.40 dolarów, co oznacza spadek o 2.83% od początku roku. Zysk na akcję (TTM) spółki wynosi 8.79, a wskaźnik P/E (TTM) 24.96. Stopa dywidendy wynosi natomiast 2.06%.

Jeśli chodzi o dane finansowe, Honeywell odnotował sprzedaż w wysokości 10.4 miliarda dolarów w drugim kwartale 2025 roku. Zysk na akcję wyniósł 2.45 dolara, a skorygowany zysk na akcję 2.75 dolara.

W tym okresie firma sfinalizowała sprzedaż działu środków ochrony indywidualnej za kwotę 1.3 mld dolarów, sfinalizowała przejęcie Sundyne za 2.2 mld dolarów i ogłosiła przejęcie działu Catalyst Technologies firmy Johnson Matthey za kwotę 1.8 mld funtów. Firma odkupiła również swoje akcje za 1.7 mld dolarów.

Prezes Vimal Kapur podkreślił znaczenie osiągnięcia „wyjątkowych wyników”, przy czym zarówno wzrost organiczny, jak i skorygowany zysk na akcję przekroczyły prognozy, pomimo nieprzewidywalnych warunków makroekonomicznych.

„Dzięki automatyzacji budynków sprzedaż w trzech z czterech segmentów wzrosła w kwartale o ponad 5%, co pokazuje, że nasz system operacyjny Accelerator pozwala nam szybko się dostosowywać i napędzać wzrost nawet w obliczu zmieniających się warunków biznesowych” — powiedział Kapur, zauważając jednocześnie „obiecujące wyniki wynikające z naszego większego skupienia na innowacjach w zakresie nowych produktów, co dodatkowo wsparło wzrost naszego rekordowego portfela zamówień”.

Wniosek

Komputery kwantowe mogą prowadzić do znaczących postępów w dziedzinie sztucznej inteligencji, opieki zdrowotnej, materiałoznawstwa, cyberbezpieczeństwa i innych branżach. Jednak postęp tej technologii zależy nie tylko od wydajność kubitu ale także na możliwości niezawodnego przechowywania informacji kwantowej.

Platforma Caltech oferuje plan, który ma to osiągnąć. Dzięki integracji obliczeń i pamięci w jednym układzie scalonym, nowe rozwiązanie przybliża tę dziedzinę do rzeczywistych zastosowań.

Kliknij tutaj, aby wyświetlić listę pięciu najlepszych firm zajmujących się obliczeniami kwantowymi.

Referencje:

1. Bozkurt, AB, Golami, O., Yu, Y., Tian, ​​H. i Mirhosseini, M. (2025). Mechaniczna pamięć kwantowa dla fotonów mikrofalowych. Fizyka przyrody, (wcześniejsza publikacja online), opublikowano 13 sierpnia 2025 r. Otrzymano 10 stycznia 2025 r.; zaakceptowano 17 czerwca 2025 r. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
2. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J. i in. Uniwersalne obliczenia kwantowe z wykorzystaniem anyonów Isinga z nie-półprostej topologicznej teorii pola kwantowego. Nature Communications, 16, 6408, opublikowano 05 sierpnia 2025. Otrzymano 13 października 2024; zaakceptowano 18 czerwca 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
3. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C. i in. Pasywna demultipleksowana generacja stanu dwufotonowego z kropki kwantowej. npj informacje kwantowe, 11, 139, opublikowano 11 sierpnia 2025. Otrzymano 10 kwietnia 2025; zaakceptowano 25 lipca 2025. https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0
4. Mollenhauer, M., Irfan, A., Cao, X. i in. Wysokowydajna elementarna sieć wymiennych nadprzewodzących urządzeń kubitowych. Elektronika natury, 8, 610–619, opublikowano 27 czerwca 2025 r. (data wydania: lipiec 2025 r.). Otrzymano 08 września 2024 r.; przyjęto 23 maja 2025 r. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01404-3