Работу представила группа ученых Йельского университета, опубликовавшая результаты исследования в журнале Nature Physics. В основе разработки лежит необычный подход к организации квантовой памяти: вместо традиционных сверхпроводящих элементов ученые предложили использовать механические резонаторы, способные сохранять квантовую информацию в виде колебаний.
Авторы исследования сравнивают принцип работы системы со звучанием музыкального инструмента. Если струна гитары после удара медиатором продолжает некоторое время колебаться, сохраняя определенную частоту звука, то механический резонатор способен аналогичным образом удерживать информацию о квантовом состоянии.
Однако в отличие от музыкального инструмента речь идет о колебаниях объектов микроскопических размеров, охлажденных практически до абсолютного нуля.
Проблема создания эффективной квантовой памяти остается одной из главных для современной индустрии квантовых вычислений. Несмотря на значительный прогресс последних лет, существующие квантовые процессоры по-прежнему крайне чувствительны к внешним воздействиям. Квантовые состояния быстро разрушаются из-за тепловых шумов и взаимодействия с окружающей средой, что ограничивает продолжительность вычислений и усложняет создание крупных вычислительных систем.
Именно поэтому крупнейшие технологические компании и научные центры активно ищут способы продлить время жизни квантовой информации. Сегодня для решения этой задачи используются различные подходы — сверхпроводящие кубиты, ионные ловушки, фотонные системы и топологические квантовые элементы. Каждая из технологий обладает собственными преимуществами и недостатками, а вопрос создания надежной квантовой памяти до сих пор остается открытым.
Разработка исследователей из Йеля представляет собой гибридную архитектуру, объединяющую сверхпроводящий квантовый процессор и механический резонатор. Система позволяет передавать квантовую информацию между вычислительным элементом и механическим накопителем, который способен сохранять ее значительно дольше по сравнению с традиционными решениями.
По словам авторов работы, механические колебания обладают важным преимуществом — они относительно слабо взаимодействуют с окружающей средой, благодаря чему информация может храниться более продолжительное время. Иными словами, если квантовый процессор выполняет роль вычислительного блока, то механический резонатор выступает своеобразным «оперативным запоминающим устройством», обеспечивающим временное хранение данных между вычислительными операциями.
Появление подобных технологий имеет принципиальное значение для всей отрасли. Сегодня большинство квантовых компьютеров содержат от нескольких десятков до нескольких сотен кубитов, однако для решения действительно сложных задач в области материаловедения, фармацевтики или криптографии потребуются системы, включающие тысячи и даже миллионы логических кубитов. Без эффективных механизмов хранения и передачи информации создание таких машин остается практически невозможным.
Разработка Йельского университета отражает еще одну тенденцию современной науки — постепенное сближение различных областей физики.
Если первые квантовые компьютеры создавались преимущественно на основе достижений микроэлектроники и сверхпроводимости, то сегодня исследователи все чаще обращаются к оптомеханике, нанотехнологиям и физике механических колебаний. Это позволяет использовать свойства материалов и физических процессов, которые еще несколько лет назад не рассматривались в качестве основы для квантовых вычислений.
До появления коммерческих квантовых компьютеров, использующих подобную память, могут пройти годы. Тем не менее новая работа демонстрирует, что поиск архитектуры будущих квантовых вычислительных систем продолжается сразу по нескольким направлениям. И вполне возможно, что одним из важнейших компонентов таких машин станут не только электронные схемы, но и крошечные механические резонаторы, способные хранить информацию в своих колебаниях.
