Звукові хвилі пропонують прорив у зберіганні квантової інформації

Квантові обчислення обіцяють безпрецедентну швидкість вирішення складних проблем, що призведе до проривів у галузях штучного інтелекту, фінансів, логістики, матеріалознавства, розробки ліків та криптографії.

Але хоча потенціал цієї технології величезний, реалізувати це непросто, оскільки на практиці виявилося дуже складно змусити квантові комп'ютери працювати та використовувати їх для вирішення реальних проблем.

Квантові обчислення все ще є експериментальною технологією, і дослідники... робочий на подоланні перешкоди для виконання точне моделювання явищ квантового рівня. Одна з головних проблем тут полягає у зберіганні інформації для Довгий час.

Цей це тому, що хоча надпровідні кубіти мають чудові можливості для обробки квантової інформації, вони мають досить обмежений час когерентності.

Когерентність — це здатність квантової системи підтримувати зв'язок між різними станами в суперпозиції. Ця фундаментальна властивість дозволяє кубітам існувати в лінійній комбінації базисних станів, забезпечуючи паралелізм та інтерференцію, які є основою квантових обчислень. 

Когерентність, необхідна для виконання квантових операцій, є досить крихкою і може легко загубитися навіть через незначні взаємодії з навколишнім середовищем.

Якщо когерентності немає, квантова поведінка втрачається кубітом, що робить квантові обчислення безглуздими. Тим часом, декогеренція – це процес, під час якого втрачається когерентність, і вона продовжує бути основною проблемою у створенні та експлуатації квантових комп'ютерів.

Тепер надпровідні кубіти – це фізичний спосіб реалізації кубітів, і їх функціонування залежить від підтримки квантової когерентності. Але, звичайно, декогеренція залишається їхньою найбільшою проблемою.

Надпровідні кубіти – це крихітні схеми, виготовлені зі спеціальних матеріалів, які використовують квантові явища, такі як суперпозиція та заплутаність, для виконання обчислень. Матеріали, що використовуються для виготовлення схеми, охолоджуються майже до абсолютного нуля, щоб зробити їх надпровідними, що означає, що вони можуть проводити електрику без опору.

Хоча ці надпровідні кубіти вражають своєю швидкістю обчислень, їм важко зберігати інформацію протягом тривалого часу.

Однак інтерфейс між фотонами та фононами може дозволити квантовій інформації... зберігатися у довгоживучих механічних осциляторах. Команда вчених з Каліфорнійського технологічного інституту зробила саме це; вони представили платформу, яка залежить від електростатичних сил у нанорозмірних структурах для досягнення сильного зв'язку між кубітом та наномеханічним осцилятором.

Час спаду енергії (T1) становить близько 25 мс, що перевищує показники, реалізовані в інтегральних надпровідних схемах.

Щоб дослідити причини декогеренції, а також зменшити її вплив, команда використала квантові операції. Використання двоімпульсних динамічних послідовностей розв'язки допомогло їм досягти довшого часу когерентності (T2) до 1 мс, що є продовженням з 64 мкс.

Команда висновки дослідження показують, що в надпровідних пристроях, механічні осцилятори можуть служити квантовими пам'ятями, з потенціал до бути використаним у квантових обчисленнях, сенсориці та трансдукції.

Як звукові хвилі довше зберігають квантові стани

Звичайні комп'ютери як Ноутбуки та телефони зберігають інформацію у вигляді бітів.

Біти — це найменша одиниця цифрової інформації, яка є фундаментальними логічними елементами та приймає одне двійкове значення нуль або одиниця.

Тим часом квантові комп'ютери можуть мати стан, який одночасно дорівнює нулю та одиниці, що відомо як суперпозиція, і саме це стоїть за обіцянкою квантових обчислень вирішувати проблеми, з якими не можуть впоратися наші класичні комп'ютери.

Багато існуючих квантових комп'ютерів засновані на надпровідних електронних системах, де електрони течуть без будь-якого опору за надзвичайно низьких температур. У цих системах, коли квантово-механічна природа електронів протікає через резонатори, вони створюють надпровідні кубіти.

Ці кубіти чудово виконують логічні операції, необхідні для обчислень. Але вони не дуже добре зберігають інформацію, що представляється математичними дескрипторами конкретних квантових систем. 

Щоб збільшити час зберігання квантових станів, інженери досліджують можливість створення «квантових пам'ятей» для надпровідних кубітів.

Команда вчених з Каліфорнійського технологічного інституту обрала гібридний шлях до цих квантових спогадів. 

За допомогою цього підходу електричну інформацію було ефективно перетворено на звук. Щоб перевести квантову інформацію на звукові хвилі, вони використовували крихітний пристрій, який діє як мініатюрний камертон.

Цей дозволило збільшити час життя квантових станів у тридцять разів, ніж за допомогою інших методів, заклавши основу для масштабованих, практичних квантових комп'ютерів з потужністю не просто обчислювати але також пам'ятати.

«Як тільки ви досягнете квантового стану, ви можете не захотіти одразу щось із ним робити. Вам потрібен спосіб повернутися до нього, коли ви захочете виконати логічну операцію. Для цього вам потрібна квантова пам’ять».

– Мохаммад Мірхоссейні, доцент кафедри електротехніки та прикладної фізики Caltech

Дослідження, що фінансується Національним науковим фондом та Управлінням наукових досліджень ВПС, вів аспірантами Каліфорнійського технологічного інституту Алкімом Бозкуртом та Омідом Голамі та було опублікований¹ у журналі «Фізика природи».

У ньому детально описувалося виготовлення надпровідного кубіта на чіпі, який тоді було підключено до крихітного пристрою, який називають механічним осцилятором.

Механічний осцилятор - це система, яка демонструє коливальний рух. Це по суті міні-камертон, який у випадку цього дослідження складається з гнучких пластин. Ці плити вібрують використовуючи звукові хвилі на частотах гігагерц (ГГц).

Коли команда дослідників помістила електричний заряд на ці гнучкі пластини, вони змогли взаємодіяти з електричними сигналами, що несли квантову інформацію, дозволяючи їй передаватись у пристрій для зберігання як «пам’яті», а потім передаватись або «запам’ятовуватися» пізніше.

Дослідники виміряли як довго осцилятору знадобилося, щоб втратити свій квантовий вміст після того, як інформація потрапила в пристрій. 

«Виявляється, що термін служби цих осциляторів приблизно в 30 разів довший, ніж у найкращих надпровідних кубітів».

– Мірхоссейні

Цей метод побудови квантової пам'яті має різні переваги над іншими техніками. Наприклад, акустичні хвилі поширюються набагато повільніше, ніж електромагнітні хвилі, що дозволяє створювати компактніші пристрої.

Електромагнітні (ЕМ) хвилі – це поперечні хвилі коливних електричних та магнітних полів, що переносять енергію через простір. Вони утворюються внаслідок прискорення заряджених частинок і охоплюють спектр, включаючи радіохвилі, мікрохвилі, інфрачервоне випромінювання, видиме світло, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське випромінювання та гамма-випромінювання. 

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Усі електромагнітні випромінювання поширюються зі швидкістю світла у вакуумі та не потребують середовища для поширення.

Тим часом, акустичні хвилі – це механічні хвилі, подібні до звукових хвиль, які передають енергію через середовище, таке як тверде тіло, рідина або газ, змушуючи частинки середовища вібрувати, стискатися та розширюватися. Ці хвилі характеризуються за такими властивостями, як частота, амплітуда та довжина хвилі. Акустичні хвилі охоплюють діапазон частот, включаючи інфразвук та ультразвук.

Оскільки механічні коливання, на відміну від електромагнітних хвиль, не поширюються у вільному просторі, енергія не витікає з системи. а може бути міцніше утримуваними в середовищі, що дозволяє триваліший час зберігання та зменшує небажаний обмін енергією між сусідніми пристроями.

Ці переваги пропонують можливість використання багатьох таких камертонів. для включення до один чіп, що забезпечує масштабованість шлях до квантових спогадів.

Дослідження, за словами Мірхоссейні, демонструє мінімальну взаємодію між акустичними та електромагнітними хвилями необхідний дослідити цінність цієї гібридної системи для використання як елемента пам'яті. 

«Щоб ця платформа була справді корисною для квантових обчислень, потрібно мати можливість вносити квантові дані в систему та вилучати їх набагато швидше. А це означає, що ми повинні знайти способи збільшити швидкість взаємодії втричі-вдесятеро більше, ніж здатна наша поточна система», – сказав Мірхоссейні. І у команди є ідеї чином, щоб як цього досягти.

Квантове обладнання та програмне забезпечення: шлях до комерційного використання

Новий пристрій, створений вченими Каліфорнійського технологічного інституту, розробляється вже деякий час.

Кілька років тому, у своїй попередній роботі, команда показав той звук, особливо фонони, які є окремі частинки вібрації дуже схоже на те, як фотонів він має, може забезпечити простий спосіб зберігання квантової інформації.

У той час група Мірхоссейні показав новий метод у лабораторії, де вони досліджували фонони, завдяки відносній зручності створення невеликих пристроїв, які можуть зберігати ці механічні хвилі.

Команда випробувала пристрої в експериментах, які виглядали придатними для сполучення з надпровідними кубітами, оскільки вони працюють на тих самих дуже високих частотах ГГц.

Люди чують у діапазоні від герців до кілогерців (до ~20 кГц), тоді як пристрої працюють на гігагерцах (мільярди циклів за секунду) — приблизно в 50,000 XNUMX разів вище за частотою.

Тестовані пристрої також мали тривалий термін служби та добре працювали за низьких температур, необхідних для збереження квантових станів надпровідних кубітів.

Як зазначив тоді Мірхоссейні, інші дослідження розглядали п'єзоелектрики, особливий тип матеріалу, як спосіб перетворення механічної енергії в електричну в квантових застосуваннях. Він додав:

«Однак ці матеріали схильні спричиняти втрати енергії для електричних та звукових хвиль, а втрати є головною причиною смерті у квантовому світі».

Нова техніка, розроблена командою Каліфорнійського технологічного інституту, навпаки, не залежить від властивостей конкретних матеріалів і, як така, підходить для вже існуючих квантових пристроїв на основі мікрохвиль.

Створення ефективних пристроїв зберігання даних компактного розміру є ще одним викликом для тих, хто досліджує квантові застосування.

Цей виклик також розглядається за допомогою нового методу, який «дозволяє зберігати квантову інформацію з електричних схем на два порядки довше, ніж в інших компактних механічних пристроях», — сказав провідний автор дослідження Бозкурт, аспірант групи Мірхоссейні.

Хоча платформа звукових хвиль Каліфорнійського технологічного інституту є багатообіцяючою, вона є лише частиною набагато масштабніших дослідницьких зусиль, що проводяться в різних установах по всьому світу. Вчені тестують різноманітні методи подолання труднощів за допомогою квантових комп'ютерів. 

Наприклад, дослідники з Університету Південної Каліфорнії звернувся до математики².

Вони використовують неглектони для вирішення деяких проблем з топологічними кубітами. Цей клас теоретичних частинок, які називаються такі, як вони були отримані від недооцінених теоретичних математики, може відкрити новий шлях до експериментальної реалізації універсальних топологічних квантових комп'ютерів.

«Моя мета — якомога переконливіше довести іншим дослідникам, що ненапівпроста структура не лише дійсна, а й є захопливим підходом до кращого розуміння квантової теорії».

– Співавтор Аарон Лауда

Тим часом, в іншому підході, вчені контролюють світло, що випромінюється квантовими точками, що може призвести до дешевших, швидших і, звичайно, більш практичних квантових технологій.

Для цього дослідницька співпраця знайшла новий метод³ що спирається на стимульоване двофотонне збудження, що дозволяє квантовим точкам випромінювати потоки фотонів у різних станах поляризації без потреби в електронному перемиканні. Під час тестування дослідники змогли до успішно виробляти чудові двофотонні стани, в той час як зберігання чудові властивості однофотонних.

«Цей підхід особливо елегантним робить те, що ми перенесли складність з дорогих електронних компонентів, що викликають втрати, після випромінювання одного фотона на стадію оптичного збудження, і це значний крок вперед у створенні більш практичних джерел квантових точок для реальних застосувань».

– Провідний дослідник, Вікас Ремеш

А ще є команда з Інженерного коледжу Грейнджера при Університеті Іллінойсу в Урбана-Шампейн, яка... представив високопродуктивну модульну конструкцію⁴ для надпровідних квантових процесорів з точністю ~99%. 

Модульна архітектура, на відміну від обмежувальних монолітних конструкцій, пропонує більшу масштабованість, легші вдосконалення та стійкість до невідповідностей.

Хоча більшість зусиль явно продовжують зосереджуватися на апаратній частині квантових комп'ютерів, зараз спостерігається зсув у бік програмного забезпечення, оскільки люди вважають, що ця технологія «…на межі комерційної життєздатності«», і тому потрібно було щось корисне з ними зробити.

У зв'язку з цим компанія Phasecraft, що займається квантовими алгоритмами, залучила 34 мільйони доларів від кількох спонсорів, зокрема від інвестиційної компанії, пов'язаної з данським фармацевтичним гігантом. Ново Нордіск (NVO -0.99%). 

Алгоритми Phasecraft, її генеральний директор Ешлі Монтанаро, вважає, зможуть виконувати «науково важливі» розрахунки «до наступної весни», а деякі комерційно корисні застосування можуть бути доступні «протягом наступних кількох років».

Зараз спостерігається зростаючий інтерес до алгоритмів. Нещодавно дослідник з Google заявив, що розробив спосіб зменшення масштабу квантового комп'ютера, необхідного для запуску алгоритму Шора, у 20 разів, що може... бути використаним зламати найпоширеніші на сьогодні форми шифрування. 

У відповідь розробник Hunter Beast представив BIP 360 у спробі зробити квантові обчислення стійкими до біткойна (BTC).

Тим часом, компанія з квантових обчислень Norma перевірила ефективність своїх алгоритмів квантового штучного інтелекту для розробки ліків за допомогою NVIDIA CUDA-Q, спостерігаючи швидкість обчислень приблизно в 73 рази вищу.

Інвестування в квантові обчислення

Багато відомих компаній проводять дослідження в галузі надпровідних квантових обчислень, зокрема IBM (IBM -2.21%), Intel (INTC -2.2%), та багато іншого. Але сьогодні ми розглянемо Honeywell International (HON -0.91%), яка активно займається квантовими обчисленнями через свою контрольну частку в Quantinuum. 

Квантинуум, А Honeywell International (HON -0.91%) Компанія

Quantinuum — компанія з квантових обчислень, утворена у 2021 році шляхом злиття Cambridge Quantum та Квантові рішення Honeywell. Для того, щоб прискорити розробку відмовостійких квантових комп'ютерів, вона забезпечила фінансування від інвесторів як JPMorgan Chase.

Минулого року це продемонстрований найнадійніші логічні кубіти за всю історію спостережень. Quantinuum застосувала революційну систему віртуалізації кубітів від Microsoft з діагностикою та виправленням помилок до свого обладнання для іонних пасток, щоб провести понад 14,000 XNUMX окремих експериментів без жодної помилки. 

Минулого місяця, Quantinuum запущений два нових компоненти програмного забезпечення з відкритим вихідним кодом, включаючи Guppy, мову, розміщену в Python, яку її генеральний директор Раджіб Хазра назвав «зміною парадигми для розробників», та емулятор під назвою Selene, який є «цифровим двійником», що імітує квантову поведінку, щоб програмісти могли тестувати та налагоджувати свій код.

Нова повнофункціональна платформа з'являється в рамках підготовки до майбутнього запуску квантового комп'ютера наступного покоління Helios від Quantinuum.

Таким чином, Компанія прагне досягти успіхів як у квантовому апаратному, так і в програмному забезпеченні, проводячи дослідницьку та комерційну діяльність, спрямовану на штучний інтелект, кібербезпеку, хімічне моделювання та інші застосування.

Завдяки Quantinuum, Honeywell створила вдосконалені квантові комп'ютери із захопленими іонами, які використання електромагнітно захоплені іони як кубіти для високоточних обчислень клієнтам in різні сектори, включаючи охорону здоров'я, фінанси та комунальні послуги.

Інтегрована операційна компанія – це головним чином залучений до трьох мегатрендів, які є автоматизація, авіація та енергетичний перехід. Тим часом, він обслуговує кілька ключових сегментів:

• Аерокосмічні технології
• Промислова автоматизація
• Автоматизація будівель та енергетика
• Рішення для сталого розвитку

З ринковою капіталізацією в 139.36 мільярда доларів, акції HON, на момент написання статті, торгуються за ціною 218.40 доларів, що на 2.83% менше, ніж з початку року. Прибуток на акцію (TTM) становить 8.79, а коефіцієнт P/E (TTM) – 24.96. Дивідендна дохідність, тим часом, становить 2.06%.

Що стосується фінансових показників, Honeywell повідомила про продажі в розмірі 10.4 мільярда доларів за другий квартал 2025 року. Прибуток на акцію склав 2.45 долара, а скоригований прибуток на акцію – 2.75 долара.

Протягом цього періоду компанія завершила продаж бізнесу ЗІЗ на суму 1.3 мільярда доларів, закрила угоду про придбання Sundyne за 2.2 мільярда доларів та оголосила про придбання бізнесу Catalyst Technologies компанії Johnson Matthey за 1.8 мільярда фунтів стерлінгів. Компанія також викупила свої акції на суму 1.7 мільярда доларів.

Генеральний директор Вімал Капур зазначив важливість досягнення «видатних результатів», оскільки як органічне зростання, так і скоригований прибуток на акцію перевищують прогноз, незважаючи на непередбачувану макроекономіку.

«Завдяки лідерству в сегменті автоматизації будівель, три з чотирьох сегментів зросли продажі на понад 5% у кварталі, що демонструє здатність нашої операційної системи Accelerator швидко адаптуватися та стимулювати зростання навіть за змін умов бізнесу», – сказав Капур, зазначивши «багатообіцяючі результати завдяки нашій посиленій зосередженості на інноваціях нових продуктів, що ще більше сприяло зростанню нашого рекордного портфеля замовлень».

Висновок

Квантові обчислення можуть призвести до значного прогресу в штучному інтелекті, охороні здоров'я, матеріалознавстві, кібербезпеці та інших галузях. Але прогрес цієї технології залежить не лише від продуктивність кубіта але також і на здатність надійно зберігати квантову інформацію.

Платформа Каліфорнійського технологічного інституту пропонує план для досягнення цієї мети. Інтегруючи обчислення та пам'ять в одному чіпі, нова розробка наближає цю галузь до реальних застосувань.

Натисніть тут, щоб переглянути список п’яти найкращих компаній квантових обчислень.

Список використаної літератури:

1. Бозкурт, А. Б., Голамі, О., Ю, Ю., Тіан, Х., і Міргоссейні, М. (2025). Механічна квантова пам'ять для мікрохвильових фотонів. Фізика природи, (попередня онлайн-публікація), опубліковано 13 серпня 2025 року. Отримано 10 січня 2025 року; прийнято 17 червня 2025 року. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
2. Іуліанеллі, Ф., Кім, С., Суссан, Дж. та ін. Універсальні квантові обчислення з використанням ізингівських еніонів з ненапівпростої топологічної квантової теорії поля. Природа зв'язку, 16, 6408, опубліковано 05 серпня 2025 р. Отримано 13 жовтня 2024 р.; прийнято 18 червня 2025 р. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
3. Карлі, Ю., Авіла Аренас, І., Шимпф, К. та ін. Пасивна демультиплексована генерація двофотонних станів з квантової точки. npj Квантова інформація, 11, 139, опубліковано 11 серпня 2025 року. Отримано 10 квітня 2025 року; прийнято 25 липня 2025 року. https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0
4. Молленхауер, М., Ірфан, А., Цао, Х. та ін. Високоефективна елементарна мережа взаємозамінних надпровідних кубітних пристроїв. Електроніка природи, 8, 610–619, опубліковано 27 червня 2025 р. (дата випуску липень 2025 р.). Отримано 08 вересня 2024 р.; прийнято 23 травня 2025 р. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01404-3