Звуковые волны предлагают прорыв в хранении квантовой информации

Квантовые вычисления обещают беспрецедентную скорость решения сложных задач, способствуя прорывам в области искусственного интеллекта, финансов, логистики, материаловедения, разработки лекарственных препаратов и криптографии.

Но хотя потенциал этой технологии огромен, реализовать его непросто, поскольку на практике оказалось очень сложно заставить работать квантовые компьютеры и использовать их для решения реальных задач.

Квантовые вычисления все еще остаются экспериментальной технологией, и исследователи работает на преодоление препятствия для выполнения точное моделирование явлений квантового уровня. Одной из основных проблем здесь является хранение информации для Долгое время.

Этот это связано с тем, что, хотя сверхпроводящие кубиты обладают большими возможностями обработки квантовой информации, время когерентности у них довольно ограниченное.

Когерентность — это способность квантовой системы поддерживать взаимосвязь между различными состояниями в суперпозиции. Это фундаментальное свойство позволяет кубитам существовать в линейной комбинации базисных состояний, обеспечивая параллелизм и интерференцию, которые являются основой квантовых вычислений. 

Необходимая для выполнения квантовых операций когерентность довольно хрупкая и может быть легко потерянным даже через небольшое взаимодействие с окружающей средой.

При отсутствии когерентности квантовое поведение кубита теряется, что делает квантовые вычисления бессмысленными. Между тем, декогеренция — это процесс, при котором теряется когерентность, и она продолжает оставаться серьёзной проблемой при создании и эксплуатации квантовых компьютеров.

Сверхпроводящие кубиты — это физический способ реализации кубитов, и для их функционирования необходимо поддерживать квантовую когерентность. Но конечнодекогеренция остается для них самой большой проблемой.

Сверхпроводящие кубиты Это миниатюрные схемы из определённых материалов, которые используют квантовые явления, такие как суперпозиция и запутанность, для выполнения вычислений. Материалы, используемые для изготовления схемы, охлаждаются практически до абсолютного нуля, что делает их сверхпроводящими, то есть способными проводить электричество без сопротивления.

Хотя эти сверхпроводящие кубиты отлично справляются с быстрыми вычислениями, им трудно хранить информацию в течение длительного времени.

Однако интерфейс между фотонами и фононами может позволить квантовой информации храниться в долгоживущих механических осцилляторах. Группа учёных из Калифорнийского технологического института сделала именно это: они разработали платформу, которая использует электростатические силы в наноструктурах для достижения сильной связи между кубитом и наномеханическим осциллятором.

Время затухания энергии (T1) составляет около 25 мс, что превышает реализуемые в интегральных сверхпроводящих схемах.

Чтобы исследовать причины декогеренции и снизить её влияние, группа использовала квантовые операции. Использование двухимпульсных динамических развязывающих последовательностей позволило им увеличить время когерентности (T2) до 1 мс, что выше 64 мкс.

выводы исследования показывают, что в сверхпроводящих устройствах, механические осцилляторы могут служить квантовыми воспоминаниями, с потенциал в использоваться в квантовых вычислениях, зондировании и передаче данных.

Как звуковые волны дольше сохраняют квантовые состояния

Обычные компьютеры , такие как Ноутбуки и телефоны хранят информацию в виде битов.

Биты — это наименьшая единица цифровой информации, представляющая собой фундаментальные логические элементы, которые принимают одно двоичное значение — ноль или единица.

Между тем квантовые компьютеры могут находиться в состоянии, которое одновременно равно и нулю, и единице. Это называется суперпозицией. Именно это и лежит в основе обещания квантовых вычислений решать проблемы, которые не поддаются решению с помощью наших классических компьютеров.

Множество существующих квантовых компьютеров основаны В сверхпроводящих электронных системах, где электроны движутся без сопротивления при экстремально низких температурах, возникают сверхпроводящие кубиты, которые возникают при прохождении электронов через резонаторы, благодаря квантово-механической природе.

Эти кубиты отлично справляются с выполнением логических операций, необходимых для вычислений. Но они не очень хороши для хранения информации, что… представлен математическими описаниями конкретных квантовых систем. 

Чтобы увеличить время хранения квантовых состояний, инженеры изучают возможность создания «квантовой памяти» для сверхпроводящих кубитов.

Группа ученых из Калифорнийского технологического института выбрала гибридный путь создания квантовой памяти. 

С помощью этого подхода электрическая информация была эффективно преобразована в звук. Для перевода квантовой информации в звуковые волны они использовали крошечное устройство, действующее как миниатюрный камертон.

Этот позволил увеличить продолжительность жизни квантовых состояний в тридцать раз по сравнению с другими методами, заложив основу для масштабируемых, практичных квантовых компьютеров с производительностью не просто вычислять но также помните.

«После того, как вы получили квантовое состояние, вам, возможно, не захочется ничего с ним делать немедленно. Вам нужен способ вернуться к нему, когда вы захотите выполнить логическую операцию. Для этого нужна квантовая память».

– Мохаммад Мирхоссейни, доцент кафедры электротехники и прикладной физики Калифорнийский технологический институт

Исследование было проведено при финансовой поддержке Национального научного фонда и Управления научных исследований ВВС. вел аспиранты Калифорнийского технологического института Алким Бозкурт и Омид Голами и законопроект опубликовала¹ в журнале Nature Physics.

В нем подробно описывалось изготовление сверхпроводящего кубита на чипе, который затем был подключен к крошечному устройству, называемому механическим осциллятором.

Механический осциллятор — это система, демонстрирующая колебательное движение. Это по существу мини-камертон, который в данном случае состоит из гибких пластин. Эти тарелки вибрируют с использованием звуковых волн на частотах гигагерца (ГГц).

Когда команда поместила электрический заряд на эти гибкие пластины, они смогли взаимодействовать с электрическими сигналами, содержащими квантовую информацию, что позволило передавать ее в устройство для хранения в качестве «памяти», а затем передавать или «вспоминать» ее позже.

Исследователи измерили как долго осциллятору потребовалось время, чтобы потерять свое квантовое содержимое после того, как информация поступила в устройство. 

«Оказывается, срок службы этих осцилляторов примерно в 30 раз превышает срок службы лучших из существующих сверхпроводящих кубитов».

– Мирхоссейни

Этот метод построения квантовой памяти имеет различные преимущества по сравнению с другими методами. Акустические волны, например, распространяются гораздо медленнее электромагнитных волн, что позволяет создавать более компактные устройства.

Электромагнитные (ЭМ) волны — это поперечные волны осциллирующих электрических и магнитных полей, переносящие энергию в пространстве. Они возникают в результате ускорения заряженных частиц и охватывают спектр, включающий радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновские лучи и гамма-лучи. 

Проведите пальцем, чтобы прокрутить →

Все электромагнитные волны распространяются со скоростью света в вакууме и не требуют среды для распространения.

Между тем, акустические волны — это механические волны, подобные звуковым, которые передают энергию через среду, например, твёрдое тело, жидкость или газ, заставляя частицы среды вибрировать, сжиматься и расширяться. Эти волны характеризуются по таким свойствам, как частота, амплитуда и длина волны. Акустические волны охватывают диапазон частот, включая инфразвук и ультразвук.

Поскольку механические колебания, в отличие от электромагнитных волн, не распространяются в свободном пространстве, энергия не выходит за пределы системы. а может быть более прочно ограничены в среде, что позволяет увеличить время хранения и смягчить нежелательный обмен энергией между соседними устройствами.

Эти преимущества открывают возможность создания множества подобных камертонов. быть включенным в один чип, обеспечивающий масштабируемость путь к квантовой памяти.

По словам Мирхоссейни, исследование демонстрирует минимальное взаимодействие между акустическими и электромагнитными волнами. необходимый для исследования ценности этой гибридной системы для использования в качестве элемента памяти. 

«Чтобы эта платформа была по-настоящему полезна для квантовых вычислений, необходимо иметь возможность загружать квантовые данные в систему и извлекать их гораздо быстрее. А это значит, что нам придётся найти способы увеличить скорость взаимодействия в 10–XNUMX раз по сравнению с возможностями нашей текущей системы», — сказал Мирхоссейни. И у команды есть идеи относительно как этого добиться.

Квантовое оборудование и программное обеспечение: путь к коммерческому использованию

Новое устройство, созданное учеными Калифорнийского технологического института, находится в разработке уже некоторое время.

Пару лет назад, в своей предыдущей работе, команда показал этот звук, особенно фононы, который отдельные частицы вибрации очень похоже на то, как фотонов , может обеспечить простой способ хранения квантовой информации.

В то время группа Мирхоссейни показал новый метод в лаборатории, где они исследовали фононы, ввиду относительного удобства создания небольших устройств, которые могут хранить эти механические волны.

Группа протестировала устройства в ходе экспериментов, которые показались подходящими для сопряжения со сверхпроводящими кубитами, поскольку они работают на тех же очень высоких частотах в диапазоне ГГц.

Люди слышат в диапазоне от герц до килогерц (до ~20 кГц), тогда как устройства работают на гигагерцах (миллиардах циклов в секунду) — примерно в 50,000 XNUMX раз выше.

Испытанные устройства также имели длительный срок службы и хорошо работали при низких температурах, необходимых для сохранения квантовых состояний сверхпроводящих кубитов.

Как отметил тогда Мирхоссейни, в других исследованиях пьезоэлектрики, особый тип материала, рассматривались как способ преобразования механической энергии в электрическую в квантовых приложениях. Он добавил:

«Однако эти материалы, как правило, вызывают потерю энергии электрических и звуковых волн, а потери являются серьезнейшей проблемой в квантовом мире».

Новая технология, разработанная командой Калифорнийского технологического института, напротив, не зависит от свойств конкретных материалов и, как таковая, подходит для существующих квантовых устройств на основе микроволнового излучения.

Создание эффективных устройств хранения данных компактного размера — еще одна задача для тех, кто исследует квантовые приложения.

Этот вызов также рассматривается «Этот новый метод позволяет хранить квантовую информацию из электрических цепей в течение времени, на два порядка превышающего время хранения других компактных механических устройств», — сказал ведущий автор исследования Бозкурт, аспирант в группе Мирхоссейни.

Хотя звуковая волновая платформа Калифорнийского технологического института (Caltech) выглядит многообещающе, она — лишь часть гораздо более масштабного исследовательского проекта, который ведут институты по всему миру. Учёные тестируют различные методы решения проблем, связанных с квантовыми компьютерами. 

Например, исследователи из Университета Южной Калифорнии обратился к математике².

Они используют негнетоны для решения некоторых проблем с топологическими кубитами. Этот класс теоретических частиц, которые называются такие, как они были получены из упущенных теоретических математике, может открыть новый путь к экспериментальной реализации универсальных топологических квантовых компьютеров.

«Моя цель — представить другим исследователям как можно более убедительные доводы в пользу того, что неполупростая модель не только верна, но и представляет собой захватывающий подход к лучшему пониманию квантовой теории».

– Соавтор Аарон Лауда

Тем временем, в другом подходе ученые контролируют свет, излучаемый квантовыми точками, что может привести к созданию более дешевых, быстрых и, конечно же, более практичных квантовых технологий.

Для этого исследовательское сотрудничество нашло новый метод³ который основан на стимулированном двухфотонном возбуждении, что позволяет квантовым точкам излучать потоки фотонов в различных состояниях поляризации без необходимости использования электронного коммутационного оборудования. При тестировании исследователи были в состоянии в успешно производит отличные двухфотонные состояния, в то время как хранение замечательные свойства одиночных фотонов.

«Что делает этот подход особенно элегантным, так это то, что мы перенесли сложность с дорогих, порождающих потери электронных компонентов после испускания одиночных фотонов на стадию оптического возбуждения, и это значительный шаг вперед на пути к тому, чтобы сделать источники квантовых точек более практичными для реальных приложений».

– Ведущий исследователь Викас Ремеш

А есть еще команда из Инженерного колледжа Грейнджера при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне, которая представил высокопроизводительную модульную конструкцию⁴ для сверхпроводящих квантовых процессоров с точностью ~99%. 

Модульная архитектура, в отличие от ограничительных монолитных конструкций, обеспечивает большую масштабируемость, более простые усовершенствования и устойчивость к несоответствиям.

Хотя большинство усилий по-прежнему сосредоточено на аппаратной части квантовых компьютеров, сейчас наблюдается сдвиг в сторону программного обеспечения, поскольку люди считают, что эта технология «на пороге становления коммерчески жизнеспособным», и поэтому нуждаются в том, чтобы с ними что-то полезное сделали.

В связи с этим компания Phasecraft, занимающаяся квантовыми алгоритмами, привлекла $34 млн от нескольких инвесторов, включая инвестиционную компанию, связанную с датским фармацевтическим гигантом. Novo Nordisk (NVO ). 

Алгоритмы Phasecraft, ее генеральный директор Эшли Монтанаро, считает, сможет выполнять «научно важные» вычисления к «следующей весне», а некоторые коммерчески полезные приложения могут стать доступны «в течение следующих нескольких лет».

В настоящее время интерес к алгоритмам растёт. Недавно исследователь из Google заявил, что разработал 20-кратное сокращение масштаба квантового компьютера, необходимого для работы алгоритма Шора. использоваться для взлома наиболее распространенных на сегодняшний день форм шифрования. 

В ответ разработчик Hunter Beast представил BIP 360 в попытке сделать Bitcoin (BTC) устойчивым к квантовым вычислениям.

Тем временем компания Norma, занимающаяся квантовыми вычислениями, подтвердила производительность своих алгоритмов квантового ИИ для разработки лекарств с использованием NVIDIA CUDA-Q, зафиксировав увеличение скорости вычислений примерно в 73 раза.

Инвестиции в квантовые вычисления

Многие известные имена проводят исследования в области сверхпроводящих квантовых вычислений, в том числе IBM (IBM ), Intel (INTC )и многое другое. Но сегодня мы рассмотрим Honeywell International (HON ), которая активно участвует в квантовых вычислениях посредством своей контрольной доли в Quantinuum. 

Квантинуум, А Honeywell International (HON ) O компании

Quantinuum — компания, занимающаяся квантовыми вычислениями, образованная в 2021 году путем слияния Cambridge Quantum и Квантовые решения Honeywell. Для того, чтобы ускорить разработку отказоустойчивых квантовых компьютеров, он получил финансирование от инвесторов , такие как JPMorgan Chase.

В прошлом году это продемонстрировали Самые надёжные логические кубиты в истории. Компания Quantinuum применила революционную систему виртуализации кубитов Microsoft с диагностикой и исправлением ошибок к своему оборудованию для ионной ловушки, чтобы провести более 14,000 XNUMX отдельных экспериментов без единой ошибки. 

В прошлом месяце Квантинуум запустили два новых компонента программного обеспечения с открытым исходным кодом, включая Guppy, язык, размещенный внутри Python, который его генеральный директор Раджиб Хазра описал как «сдвиг парадигмы для разработчиков», и эмулятор под названием Selene, который является «цифровым близнецом», имитирующим квантовое поведение, позволяя программистам тестировать и отлаживать свой код.

Новая полнофункциональная платформа создана в рамках подготовки к предстоящему запуску квантового компьютера нового поколения Helios от Quantinuum.

Таким образом, Компания стремится к достижению прогресса в области квантового оборудования и программного обеспечения, осуществляя свою исследовательскую и коммерческую деятельность, направленную на ИИ, кибербезопасность, химическое моделирование и другие приложения.

Благодаря Quantinuum компания Honeywell разработала усовершенствованные квантовые компьютеры с захваченными ионами, которые используют электромагнитно захваченные ионы в качестве кубитов для высокоточных вычислений для клиентов in различных секторах, включая здравоохранение, финансы и коммунальные услуги.

Интегрированная операционная компания — это в основном участвует в трех мегатрендах, который автоматизация, авиация и энергетический переход. В то же время он обслуживает несколько ключевых сегментов:

• Аэрокосмические технологии
• Индустриальная автоматизация
• Автоматизация зданий и энергетика
• Решения в области устойчивого развития

При рыночной капитализации в 139.36 млрд долларов акции HON на момент написания статьи торгуются по 218.40 доллара, снизившись на 2.83% с начала года. EPS (TTM) компании составляет 8.79, а P/E (TTM) — 24.96. Дивидендная доходность составляет 2.06%.

Что касается финансовых показателей, Honeywell сообщила о продажах в размере 10.4 млрд долларов США за второй квартал 2025 года. Прибыль на акцию составила 2.45 доллара США, а скорректированная прибыль на акцию — 2.75 доллара США.

В течение этого периода компания завершила продажу бизнеса по производству средств индивидуальной защиты (СИЗ) на сумму 1.3 млрд долларов, закрыла сделку по приобретению Sundyne на сумму 2.2 млрд долларов и объявила о приобретении бизнеса Catalyst Technologies компании Johnson Matthey на сумму 1.8 млрд фунтов стерлингов. Компания также выкупила свои акции на сумму 1.7 млрд долларов.

Генеральный директор Вимал Капур отметил значимость достижения «выдающихся результатов»: как органический рост, так и скорректированная прибыль на акцию превзошли прогнозы, несмотря на непредсказуемую макроэкономику.

«Благодаря лидерству в области автоматизации зданий три из четырех сегментов увеличили продажи более чем на 5% за квартал, что демонстрирует возможности нашей операционной системы Accelerator по быстрой адаптации и стимулированию роста даже при изменении условий ведения бизнеса», — сказал Капур, отметив при этом «многообещающие результаты, достигнутые благодаря нашему повышенному вниманию к инновациям в области новых продуктов, что еще больше способствовало росту нашего рекордного портфеля заказов».

Заключение

Квантовые вычисления могут привести к значительному прогрессу в области искусственного интеллекта, здравоохранения, материаловедения, кибербезопасности и других отраслей. Но прогресс этой технологии зависит не только от производительность кубита но и от способности надежно хранить квантовую информацию.

Платформа Калифорнийского технологического института предлагает план достижения этой цели. Объединяя вычисления и память в одном чипе, новая разработка приближает эту область к реальному применению.

Нажмите здесь, чтобы просмотреть список пяти лучших компаний, занимающихся квантовыми вычислениями.

Ссылки:

1. Бозкурт А.Б., Голами О., Ю Ю., Тиан Х. и Мирхоссейни М. (2025).. Механическая квантовая память для микроволновых фотонов. Физика природы, (предварительная онлайн-публикация), опубликовано 13 августа 2025 г. Получено 10 января 2025 г.; принято 17 июня 2025 г. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
2. Иулианелли, Ф., Ким, С., Суссан, Дж. и др. Универсальные квантовые вычисления с использованием анионов Изинга из неполупростой топологической квантовой теории поля. Природа связи, 16, 6408, опубликовано 05 августа 2025 г. Получено 13 октября 2024 г.; принято 18 июня 2025 г. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
3. Карли, Й., Авила Аренас, И., Шимпф, К. и др. Пассивная демультиплексированная генерация двухфотонного состояния из квантовой точки. npj квантовая информация, 11, 139, опубликовано 11 августа 2025 г. Получено 10 апреля 2025 г.; принято 25 июля 2025 г. https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0
4. Молленхауэр, М., Ирфан, А., Као, Х. и др. Высокоэффективная элементарная сеть взаимозаменяемых сверхпроводящих кубитных устройств. Природа Электроника, 8, 610–619, опубликовано 27 июня 2025 г. (дата выпуска: июль 2025 г.). Получено 08 сентября 2024 г.; принято к публикации 23 мая 2025 г. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01404-3