Учёные из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) создали прототип аналогового акустического квантового компьютера, который намерены развить до полноценного вычислителя на совершенно иных принципах работы. Кубиты в предложенной системе смогут буквально разговаривать друг с другом, находясь в стабильной акустической суперпозиции. В квантовом мире измерение разрушает такие состояния, но звуковые волны нечувствительны к такому воздействию.

Источник изображения: EPFL

В своей работе исследователи использовали тот факт, что чистых звуковых волн, как правило, не бывает. В акустическом сигнале почти всегда присутствуют гармоники. Это можно сравнить с состоянием суперпозиции в квантовом мире — множеством вероятностей в одном акустическом сигнале. Это свойство можно использовать для создания акустических кубитов и, соответственно, аналогового акустического квантового компьютера, что учёные с успехом реализовали.

«По сути, мы создали игровую площадку, вдохновлённую квантовой механикой, которую можно настраивать для изучения различных систем. Наш метаматериал состоит из легко настраиваемых активных элементов, что позволяет нам синтезировать явления, выходящие за рамки природы, — говорят исследователи. — Потенциальные области применения включают управление волнами и передачу энергии для телекоммуникаций, а однажды эта установка может помочь в извлечении энергии из волн».

Предложенная учёными установка состоит из атомов-«кубиков». Каждый «кубик» снабжён динамиком и микрофоном. Микрофоны измеряют силу (амплитуду) сигнала и его частоту. В некотором роде это похоже на соединение атомов в кристаллической решётке, где колебания передаются от одного атома к другому.

Прототип акустической квантовой системы далёк от настоящего квантового уровня. Акустические волны лишь приближённо имитируют квантовые явления, но эта имитация достаточно точна для экспериментов. В определённом смысле учёные воплотили в жизнь мысленный эксперимент Шрёдингера о живой и одновременно мёртвой кошке в закрытой коробке. Кошка тоже никак не отражала квантовый уровень, но давала представление об отсутствии привычной логики в применении к квантовым явлениям.

Помимо возможности воспроизвести квантовую систему в макромасштабе предложенная установка может помочь в решении чисто утилитарной задачи. Люди часто страдают от шума в ушах, и природа этого явления нередко остаётся неизвестной. Акустический квантовый компьютер может стать симулятором подобных процессов, что поможет множеству пациентов с таким расстройством.

Три месяца назад компания Google доказала возможность масштабирования квантовых систем без значительного увеличения числа квантовых ошибок. Это снимает барьеры для создания по-настоящему практичного квантового компьютера, который потребует от сотен тысяч до миллиона кубитов. Всё это укрепило уверенность руководителей квантового подразделения Google в том, что компания совершит действительный прорыв в квантовых технологиях уже до конца текущего десятилетия.

Сундар Пичаи с одним из квантовых компьютеров Google в октябре 2019 года. Источник изображения: Reuters

В интервью информагентству CNBC исполнительный директор подразделения Google Quantum AI Джулиан Келли (Julian Kelly) сказал: «Мы думаем, что осталось около пяти лет до настоящего прорыва — создания практического приложения, которое можно будет решить только на квантовом компьютере».

Сегодня первые воплощения квантовых компьютеров решают синтетические задачи, которые также невозможно запустить на классических компьютерах. Но они не имеют практической ценности. Квантовые платформы пока ограничены в вычислительных ресурсах — в количестве кубитов для запуска сложных алгоритмов. Учёные и разработчики подобных систем и алгоритмов всё ещё учат их использовать и ищут сферу возможного приложения для квантовых вычислителей. Какой-либо определённости в этих вопросах нет, и нахождение ответов на такие, казалось бы, простые вопросы тоже может стать прорывом.

Пока сотрудники Google Quantum AI и их коллеги сходятся на том, что квантовые системы способны на фундаментальном уровне имитировать физические явления и процессы. Поскольку на базовом уровне физика и химия — это суть проявлений квантовой механики, то квантовые симуляторы могут проложить путь к новым материалам и веществам, например, к новым составам аккумуляторов или лекарствам.

Ещё одним применением для квантовых систем может стать генерация данных для обучения искусственного интеллекта, хотя в Google подчёркивают, что современные модели ИИ не подходят для запуска на квантовых платформах.

«Одно из потенциальных применений, которое вы можете придумать для квантового компьютера, это генерация всё новых и новых данных», — сказал Келли.

Заинтересованность в данных и в методах их новой обработки заинтересованы все лидеры отрасли вычислений. Некоторые, например, Microsoft, готовы даже подчинять себе физику — буквально. Таким действием стало заявление компании о создании квантового процессора на ещё не открытой частице — фермионе Майораны. Специалистов Microsoft не смутило её отсутствие и последующее возмущение физиков. В Microsoft готовы потрясать устои науки ради достижения поставленной цели.

Отдельная история с генеральным директором Nvidia Дженсеном Хуангом (Jensen Huang). В январе 2025 года на CES 2025 он заявил, что квантовые компьютеры не появятся ещё как минимум 15 лет, чем обвалил акции квантовых компаний. Позже он извинился за эти слова, и заявил, что заинтересован в квантовых разработках. Ускорители Nvidia могут быть связующим звеном между квантовыми и классическими платформами, и главе «графической» компании не следовало сомневаться в новом направлении бизнеса.

В любом случае ближайшие пять лет принесут много нового в мире квантовых вычислений. Будет ли это прорыв или просто быстрое продвижение вперёд — это уже не так важно. Главное то, что застоя на этом направлении не будет, а результат, в том или ином виде, обязательно появится.

Израильский стартап QuamCore представил концепцию устойчивого к ошибкам и имеющего практическую ценность квантового компьютера с миллионом кубитов. Основная ценность разработки заключается в уникальной «сжатой» архитектуре криогенного вычислительного блока. Для достижения компактности и возможности дальнейшего масштабирования схемы управления квантовыми цепями удалось разместить ближе к кубитам, внутри криогенной камеры.

Источник изображения: QuamCore

Презентация состоялась после того, как QuamCore получила начальное финансирование в размере $9 млн от Viola Ventures при участии Earth & Beyond, которая инвестировала в компанию на ранних этапах, а также Surround Ventures, стратегических международных инвесторов и Израильского управления инноваций.

«Мы основали компанию с одной-единственной целью – решить проблему масштабирования, которая мешает квантовым компьютерам быть практичными и полезными», — сказал генеральный директор и соучредитель QuamCore Алон Коэн (Alon Cohen) в интервью изданию Ynet.

«Мы с самого начала поняли, что реальная ценность заключается в достижении миллиона кубитов. Мы нашли способ преодолеть основное препятствие, которое до сих пор мешало этому, — сказал он. — У нас есть подробный план создания квантового компьютера на миллион кубитов со встроенной коррекцией ошибок, что значительно приближает нас к практическим квантовым системам, способным решать реальные задачи».

Использующие сверхпроводящую технологию квантовые процессоры должны работать при температуре, близкой к абсолютному нулю. Для этого они помещаются в системы криогенного охлаждения. Сотни золотых проводов, соединяющих чип, создают характерный для квантовых компьютеров вид «люстры». Подобный подход, считают в QuamCore, имеет предел масштабирования примерно на уровне 5000 кубитов. Для дальнейшего расширения платформы и увеличения числа кубитов таким способом потребуется масштабная криогенная инфраструктура, что неимоверно сложно и дорого.

Классический квантовый компьютер на сверхпроводящих кубитах. Источник изображения: IBM

Разработка QuamCore устранила давнее ограничение: необходимость размещать систему управления вне охлаждающей камеры, что делалось для предотвращения нагрева рабочего объёма с кубитами. В компании создали компактный вычислительный блок, легко поддающийся масштабированию, чем сразу решили множество будущих проблем, связанных с созданием кластерных структур.

Коэн заявил, что этот прорыв снижает затраты на вычисления и энергопотребление в 1000 раз, сокращает время сборки систем до нескольких дней и позволяет объединять квантовые компьютеры в сеть для дальнейшего увеличения количества кубитов. У предложенной системы пока только один недостаток — она существует лишь на бумаге.

Привлечение инвестиций даёт надежду вскоре увидеть прототип интересной квантовой вычислительной архитектуры. В компании QuamCore работает группа специалистов в области квантовой физики. Глава QuamCore ранее участвовал в основании компании Mobileye, занимавшейся созданием платформ визуализации, которую успешно продали Intel. Не исключено, что QuamCore с её невероятными перспективами по созданию компьютера с миллионом кубитов тоже со временем попадёт в хорошие руки.

По мере развития квантовые технологии охватывают всё новые сферы, хотя ранее они были представлены в основном в криптографии и вычислениях. На очереди — квантовые датчики, которые позволят выполнять безопасные измерения на расстоянии без опасений перехвата или искажений.

Источник изображения: Pixabay

Безопасность при проведении дистанционных измерений важна для создания высокоточных квантовых радаров, систем космического базирования, мониторинга состояния пациентов в домашних условиях и других сфер, где критичны как точность измерений, так и их защищённость. Этой темой в последние годы активно занимаются учёные из британского Университета Сассекса (University of Sussex).

Недавно в журнале Physical Review A вышла новая статья, в которой исследователи рассказали о возможных схемах реализации защищённых измерений с помощью упрощённых квантовых датчиков. В базовой конфигурации даже не требуется запутывать кубиты — всё реализуется гораздо проще, хотя эффект запутывания позволяет значительно повысить точность измерений.

Основная идея технологии SQRS (безопасного квантового дистанционного зондирования) заключается в том, что в пункт проведения измерений отправляются одиночные фотоны. Они доставляются по открытым классическим каналам, например, через оптоволокно или лазерный луч, если речь идёт о передаче на спутник. В пункте назначения фотоны приобретают сдвиг фазы в соответствии с измеряемыми данными и затем возвращаются отправителю по тем же открытым каналам.

В предложенной схеме получить результат может только отправитель, поскольку он владеет полной информацией о квантовых состояниях отправленных фотонов. Получатель в точке измерения не сможет определить величину сдвига фазы, так как у него нет опорных данных для вычислений. Злоумышленник, сумевший перехватить такие фотоны, также не сможет восстановить переданное сообщение, поскольку на этапе измерения (в момент сдвига фазы) вносится дополнительная квантовая неопределённость.

Учёные из Китая смогли улучшить предложенную методику. Их статья, опубликованная на сайте arXiv, пока ещё не прошла рецензирование. Исследователи из Университета Гуанси (Guangxi University) показали, что для реализации SQRS вовсе не обязательно использовать одиночные фотоны, что требует достаточно сложного оборудования. В своей работе они доказали, что можно обойтись слабым источником фотонов. Используя законы статистики, такой источник можно считать однофотонным, корректируя показатели с помощью математических методов.

Предложение китайских исследователей приближает практическую реализацию безопасного квантового дистанционного зондирования, что может ускорить развитие квантовых технологий.

На фоне давления со стороны США, Япония расширила список товаров, подлежащих экспортному контролю, включая передовые чипы и оборудование для квантовых компьютеров. Это делается для предотвращения их использования в военных целях и разработки оружия.

Как поясняет Bloomberg со ссылкой на Министерство экономики Японии, передовые чипы могут применяться для повышения вычислительных возможностей высокоточного оружия, а квантовые компьютеры способны взламывать шифры. Теперь компаниям потребуется получать лицензии для экспорта этих товаров. Предположительно новые ограничения вступят в силу в конце мая.

Отмечается, что этот шаг является частью более широких усилий США по закрытию «серых» способов по обходу ограничений на продажу чипов, используемых в технологиях искусственного интеллекта (ИИ), так как в Вашингтоне растёт обеспокоенность по поводу возможного реэкспорта полупроводников Nvidia в Китай.

Токио со своей стороны также усиливает экспортный контроль, добавляя новые компании в свой чёрный список. Министерство экономики включило 42 организации по всему миру, которые будут подлежать экспортному надзору, касающегося товаров двойного назначения. В общей сложности в списке уже около 110 китайских компаний, исследовательских институтов и других организаций. Изменения вступают в силу 5 февраля.

Китай выразил недовольство новыми ограничениями. В заявлении Министерства торговли Китая говорится, что «меры могут нарушить стабильность цепочек поставок и затруднить нормальные коммерческие отношения между предприятиями двух стран». Пекин надеется, что Япония не допустит негативного влияния на экономическое и торговое сотрудничество.

Стоит сказать, что на фоне обострения ограничений Китай активизировал дипломатические контакты с союзниками США. В частности сообщается, что министр иностранных дел Китая Ван И (Wang Yi) неофициально пригласил премьер-министра Японии Сигэру Исибу (Shigeru Ishiba) посетить церемонию открытия Азиатских зимних игр в Харбине в начале февраля. Однако дипломатические источники считают, что визит маловероятен, так как японское правительство параллельно стремится организовать встречу Исибы с президентом США Дональдом Трампом (Donald Trump).

Учёные из Национального института стандартов и технологий США (NIST) сообщили о создании наиболее точного и не требующего калибровки атомного термометра, который может найти применение в науке, космосе и производстве. Работа прибора строится на принципах квантовой физики и поэтому безупречна. Современные научные термометры требуют длительной калибровки и даже в этом случае не гарантируют точных измерений, от чего свободен атомный термометр.

Источник изображения: NIST

В основе решения исследователей из NIST лежат так называемые ридберговские атомы. Таковыми часто делают атомы рубидия. Для этого необходимо крайний электрон так накачать энергией, что он на три порядка увеличивает расстояние от ядра. Для понимания масштаба представьте, что ядро атома размерами 1 мм. Тогда размер «накаченного» атома составил бы 30 м. Когда атом становится ридберговским, размеры атома увеличились бы до 1000 раз, что в нашем примере соответствовало бы 30 км. Электрон на таком удалении от ядра (в настоящем атоме) чувствителен к внешним проявлениям магнитных полей и энергий. А поскольку всё завязано на квантовую физику (свойства элементарных частиц), то все эти состояния и энергии рассчитываются с точностью до 12 знака после запятой.

Тем самым измерения с привлечением ридберговских атомов будут невероятно точными даже по умолчанию, просто опираясь на фундаментальные свойства Вселенной (с привлечением необходимого оборудования и вычислительных алгоритмов). Впрочем, эта простота, конечно же, кажущаяся. Однако оборудование для организации подобного термометра стало достаточно компактным и вполне может быть использовано на производстве.

В атомном термометре атомы рубидия охлаждают до температуры, близкой к абсолютному нулю (до 0,5 мК). Это снижает собственные колебания атомов (их энергию) до минимально уровня. Облако атомов рубидия при этом удерживается в пространстве электромагнитным полем, не давая ему контактировать со стенками камеры. После этого облако облучают лазерами, и самые дальние электроны поглощают энергию, после чего они переходят на орбиты с 1000-кратным превышением стандартных орбит.

После этого остаётся следить за поведением удалённых электронов, которые поглощают или отдают энергию из окружающего пространства. Эта энергия эквивалентна температуре измеряемого объекта и переносится излучаемыми им фотонами. Получая и отдавая энергию, электроны меняют орбиты и по этим изменениям можно с чрезвычайной точностью рассчитать температуру объекта. Измерения производятся бесконтактным способом, что во многих случаях весьма удобно.

Этот прорыв не только открывает путь для нового класса термометров, но и особенно важен для атомных часов, поскольку их точность может пострадать от случайного нагрева. «Атомные часы исключительно чувствительны к изменениям температуры, что может привести к небольшим погрешностям в их измерениях», — пояснили учёные. — Мы надеемся, что эта новая технология поможет сделать наши атомные часы ещё более точными».

Всё это приведёт к новым возможностям в науке, в квантовых вычислениях, улучшит автономную навигацию в дальнем космосе (в первую очередь) и пригодится во многих других областях.

В интернете полно видеороликов с виноградинами, буквально зажигающими в микроволновой печи. Разрезанная на две половинки ягода при включении микроволновки начинает искрить и вскоре ярко вспыхивает, демонстрируя опасные на первый взгляд эффекты. Казалось бы — сплошное развлечение, однако вдумчивый эксперимент показал, что за явлением стоит интересная физика, способная дать толчок в развитии квантовых детекторов.

Источник изображения: Fawaz, Nair, Volz

Впервые любительские эксперименты с поджиганием виноградин начались в 1994 году. Все они были одинаковы — виноградина разрезалась на две половинки так, чтобы они оставались соединены тонкой кожицей. Позже выяснилось, что это не обязательно. Достаточно, чтобы половинки или целые виноградины оставались рядом. Более того, аналогичный эффект в микроволновке проявляли крыжовник, большие ягоды ежевики и гидрогелевые шарики.

Во всех случаях физика была примерно одинаковая. Плотность винограда, например, оказывалась оптимальной, чтобы происходил разрыв клеток с последующей ионизацией молекул и их разрывами. Клеточная жидкость сама по себе электролит — содержит ионы, к которым добавлялись ионы, образующиеся под действием микроволнового излучения. Виноградины начинали испускать плазму, которая в потоке излучения воспламенялась.

В ходе очередного эксперимента в 2019 году выяснилось, что виноградины не обязательно должны быть соединены физически. Эффект проявляется, если они находятся рядом. В новой работе учёные поставили более тонкий эксперимент — они измеряли силу электромагнитного поля вблизи виноградин и без них. Для этого был изготовлен искусственный наноалмаз с азотными дефектами в кристаллической решётке. Дефекты реагировали на свет зелёного лазера, и по интенсивности их свечения можно было определить интенсивность микроволнового поля вблизи этого датчика.

Наноалмаз поместили на волновод, по которому передавался импульс зелёного лазера. Над наноалмазом разместили пару виноградин. Измерения показали, что в присутствии виноградин поле демонстрировало в два раза большую силу, чем без них. Это объясняется тем, что в случае оптимального размера ягод (около 27 мм в длину), пара создаёт «горячую точку» между одной и другой ягодой, усиливая приложенное излучение и повышая вблизи точки силу поля.

На обнаруженном эффекте можно создать целый спектр высокочувствительных датчиков для космоса, работающих в микроволновом диапазоне, включая поиск гипотетических частиц тёмной материи. Также открытие поможет продвинуться в квантовых вычислениях, где микроволновые излучения и поля играют ключевую роль. Но прежде необходимо сузить рамки эксперимента для выяснения более точных параметров элементов будущих датчиков. Поставленный эксперимент был достаточно грубым и не очерчивает границ возможного.

Квантовые состояния крайне нестабильны, но обладают невероятными возможностями. То же состояние квантовой запутанности Эйнштейн называл «ужасным» и не мог до конца принять, что запутанные атомы могут «чувствовать» друг друга на разных концах Вселенной. Такие свойства неоценимы для проведения сверхчувствительных измерений и даже для поиска новой физики, но им мешает чрезвычайная краткость времени когерентности, которую преодолели учёные из Китая.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

На сайте arXiv появилась статья исследователей из Университета науки и технологий Китая, в которой заявляется об удержании квантовых состояний атомов в течение 23 минут, что можно считать абсолютным рекордом. Обычно время когерентности не превышает нескольких миллисекунд, что кратно меньше нового достижения. Статья пока не прошла рецензирование и должна восприниматься с осторожностью. Однако если другие коллективы смогут повторить опыт китайских учёных, то это станет крупным прорывом в разработке квантовых технологий.

Эксперимент заключается в охлаждении 10 тыс. атомов иттербия до нескольких тысячных градуса выше абсолютного нуля, которые затем были пойманы в ловушку электромагнитными полями лазерного излучения. В этих условиях квантовыми состояниями атомов можно было очень точно управлять, и исследователи воспользовались этим, чтобы перевести каждый атом в суперпозицию двух состояний с наиболее сильно отличающимися спинами.

Точная настройка лазеров — оптических ловушек — позволила удерживать атомы в состоянии суперпозиции 1400 секунд или 23 мин. Этого времени будет достаточно для постановки экспериментов в квантовой физике, для измерений с погрешностью менее квантового предела (это так называемое квантовое превосходство в метрологии), для квантовой компьютерной памяти, наконец.

В ряде случаев системы навигации GPS использовать нельзя или невозможно. Они могут быть скомпрометированы или заблокированы по разным причинам, а также остаются фактором риска в работе автопилотов. Параллельная система навигации без GPS могла бы решить проблему, но пока такие системы размером с комнату. Учёные из США обещают преодолеть эти ограничения и создать доступный миниатюрный «квантовый» компас уже в ближайшее время.

Источник изображения: www.techspot.com

Квантовая навигация строится на так называемой атомной интерферометрии. Частицы ведут себя также как волны, а волны одной и той же частицы могут накладываться друг на друга и отличаться по фазе. Сдвиг по фазе и эффекты интерференции волн измеряются лазером. На атомы действуют силы, например, гравитация, или они ощущают ускорение или торможение, угловой момент и прочее, что измеряется с атомарной точностью — те самые сдвиги фаз и интерференция. Перенос этих данных в наш мир позволяет соотнести измерения со всеми нюансами движения навигационного прибора на транспортном средстве. Это обеспечивает настолько высокую точность навигации, что она может превосходить возможности GPS.

Для точной навигации без GPS необходимы шесть атомных интерферометров, что определяет конечные — немаленькие — размеры платформы. Учёные их Сандийских национальных лабораторий (Sandia National Labs) смогли удивить, разработав сверхкомпактные оптические чипы для привода в действие квантовых систем навигации. Громадные лазерные установки они заменили крошечными фотонными интегральными схемами.

«Используя принципы квантовой механики, эти усовершенствованные датчики обеспечивают непревзойденную точность измерения ускорения и угловой скорости, обеспечивая точную навигацию даже в районах, где GPS недоступен», — утверждают разработчики.

Ключевым элементом для датчиков нового поколения стал модулятор, способный управлять и комбинировать лучи с несколькими длинами волн, получаемыми из одного источника. Тем самым отпадает необходимость в объединении отдельных лазеров (читай — умножать габариты), ведь всю работу может выполнить один лазер, используя для этого схему модулятора.

Помимо намного большей компактности, такие чипы также более устойчивы к вибрациям и ударам. Подобная надёжность позволит использовать квантовые датчики в самых сложных условиях эксплуатации, которые могут вывести из строя современные модели. Фактор стоимости также на повестке дня. Один современный лазерный модулятор легко преодолевает барьер в $10 тыс. Перевод производства на кремниевые пластины с сотнями и более чипов на 200- и 300-мм подложках — это залог снижения стоимости решений и повышение степени их доступности.

Предложенные «квантовые» компасы способны выйти далеко за пределы сферы навигации. Квантовые детекторы масс, к примеру, легко справятся с картографированием скрытых под землёй коммуникаций и сооружений. Они могут оказаться востребованы для оптической связи и квантовых вычислений, в дальномерах и прочем.

Учёные NASA впервые дистанционно провели эксперимент по измерению квантовых состояний ультрахолодных атомов. Благодаря невесомости установленный на борту МКС квантовый прибор получил невообразимую чувствительность, что позволяет измерять, например, перемещение масс воды и льда в земных океанах. Первым измерением установки стали неуловимые иным способом вибрации космической станции. Прибор засёк, как она дрожит в своём движении по орбите.

Cold Atom Laboratory. Источник изображения: NASA

Установка NASA Cold Atom Laboratory имеет размеры с небольшой холодильник. В ней атомы охлаждаются до температуры немного выше абсолютного нуля. На орбиту устройство доставлено в 2018 году. Это атомный интерферометр — новое направление в измерении множества физических величин и явлений с помощью оценки квантовых состояний ультрахолодных атомов.

Как известно, элементарные частицы ведут себя также подобно волнам. Это означает, что атом может двигаться как минимум по двум физическим траекториям. На каждую из них будет воздействовать гравитация или оказываться другие влияния (силы). Эти влияния можно измерить, просто наблюдая интерференцию волн — их рекомбинацию и взаимодействие. Чувствительность подобных датчиков поражает. Они могут улавливать гравитационные колебания планет и их спутников, и на основе полученных данных давать информацию о плотности и составе пород небесных тел, а также могут открывать ещё не обнаруженные объекты.

Сильное охлаждение позволяет как бы обезличить отдельные атомы, переводя их в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна. Тем самым большие скопления атомов приобретают одинаковые квантовые состояния и квантовые явления перекочёвывают из микромира в макромир. Проще говоря, у нас появляется возможность измерять квантовые состояния атомов, не опускаясь до их уровня, что намного проще и доступнее.

Эксперименты NASA с датчиками на ультрахолодных атомах пойдут намного дальше измерений вибраций космической станции (которые, как следует понимать, станут помехой для измерений). Первый квантовый датчик в невесомости поможет в планетарных исследованиях, в изучении климата Земли и даже в поиске источников тёмной материи и тёмной энергии, а также в ином подходе для доказательства Общей теории относительности Эйнштейна. Пусть теперь дрожит не только МКС, но и тайны Вселенной — мы пришли за ними.

Группа исследователей под руководством Филиппа Вальтера (Philip Walther) из Венского университета провела уникальный эксперимент, в ходе которого было измерено влияние вращения Земли на квантово запутанные фотоны. Классический инструмент для доказательства правоты общей теории относительности впервые был использован для оценки явления квантовой механики, что открывает путь к поиску связи между материальным и квантовым миром.

Источник изображений: University of Vienna

Посвящённая исследованию работа опубликована в журнале Science Advances. Учёные создали самый большой в мире интерферометр Саньяка, известный уже около ста лет. Этот прибор или датчик даёт возможность находить доказательства для ряда положений общей теории относительности, в частности, являясь наиболее чувствительным детектором вращения, например, нашей планеты. Исследователи из Вены собрали свою версию прибора на 1,4-м алюминиевой раме (катушке), намотав на неё две обмотки оптического кабеля по 2 км каждая.

Изоляция обмотки была достаточно надёжной, чтобы на несколько часов снизить уровень квантовых шумов ниже заданной границы чувствительности. Это позволило уверенно детектировать достаточное количество запутанных фотонов, чтобы потом использовать их для эксперимента.

Одна обмотка, пояснили учёные, не позволяла установить точку отсчёта для измерений — вытащить из данных измерений сигнал о постоянном вращении Земли. Необходимо было «обмануть свет, чтобы заставить его подумать, будто Вселенная неподвижна». Этот эффект достигался за счёт переключения между обмотками.

«Суть вопроса, — объясняет ведущий автор Раффаэле Сильвестри (Raffaele Silvestri), — заключалась в установлении точки отсчета для наших измерений, где свет остаётся незатронутым эффектом вращения Земли. Учитывая нашу неспособность остановить вращение Земли, мы придумали обходной путь: разделили оптическое волокно на две катушки одинаковой длины и соединили их с помощью оптического переключателя». Используя переключатель, исследователи смогли эффективно подавлять сигнал вращения по своему желанию, что также позволило им повысить стабильность работы прибора. «Мы, по сути, обманули свет, заставив его думать, что он находится в невращающейся Вселенной», — сказал Сильвестри.

Идея эксперимента в том, что запутанные фотоны при измерении дают больше информации, чем обычные. Это может помочь раздвинуть границы чувствительности прибора за рамки классической физики в область квантовой механики.

Экспериментальная установка

В обычном интерферометре Саньяка два фотона двигались бы навстречу друг другу и вернулись бы в точку старта с некоторой разницей во времени, в зависимости от скорости вращения системы. В случае запуска по маршруту запутанных фотонов ситуация сложнее — оба фотона одновременно движутся навстречу друг другу как одна частица. При этом задержка по времени увеличивается в два раза, поясняют учёные, и это в два раза повышает разрешение датчика — достигается так называемое сверхразрешение.

Это подтвердило взаимодействие между вращающимися системами отсчёта и квантовой запутанностью, теоретическое описание чего можно найти как в специальной теории относительности Эйнштейна, так и в квантовой механике. Сделано это с тысячекратным повышением точности по сравнению с предыдущими экспериментами.

«Это является важной вехой, поскольку спустя столетие после первого наблюдения вращения Земли с помощью света запутывание отдельных квантов света, наконец, вошло в те же режимы чувствительности, — пояснил Хаокун Ю (Haocun Yu), который работал над этим экспериментом в качестве научного сотрудника Института Марии Кюри. — Я верю, что наши результаты и методология заложат основу для дальнейшего улучшения чувствительности датчиков, основанных на оценке вращения запутанностью. Это может открыть путь для будущих экспериментов по проверке поведения квантовой запутанности с учётом кривизны пространства-времени».

Исследователи из Бристольского университета в Великобритании разработали самый маленький в мире квантовый детектор света на кремниевом чипе. Детектор тоньше человеческого волоса может помочь расширить масштабы реализации квантовых технологий вплоть до создания мощных вычислительных платформ.

Источник изображений: University of Bristol

В своём исследовании учёные решали три две связанные проблемы: уменьшение размеров детектора, снижение влияния квантового шума (квантовой неопределённости) и адаптация платформы к современному массовому производству чипов. Чем меньше датчик, тем он быстрее работает, но одновременно с этим растёт влияние электронного шума, которое снижает чувствительность. Также нужно думать о возможных техпроцессах выпуска датчиков, чтобы это было экономически выгодно и доступно.

Свою разработку британские учёные сравнивают с изобретением транзисторов в 50-е годы прошлого века, что стремительно ускорило развитие электроники и вычислительной техники. Миниатюрный по сравнению с электронными лампами полупроводниковый элемент привнёс революцию в отрасль и изменил в ней буквально всё. Новый детектор квантового света может оказать ту же услугу оптическим квантовым системам, считают разработчики.

Новый встроенный в кремниевый чип детектор квантового света имеет размеры 80 × 220 мкм (сам светочувствительный элемент ещё меньше). Он работает в 10 раз быстрее аналогов, утверждают учёные и имеет высокий порог чувствительности к квантовому шуму. Это важный момент не только для квантовых платформ, но также для других применений подобных детекторов. Например, они используются в гравитационно-волновых обсерваториях, где позволяют выявлять малейшие отклонения в фазе и амплитуде световых сигналов, что может повысить чувствительность систем, регистрировать больше событий, связанные с рождением гравитационных волн, и делать это точнее.

«Мы создали детектор на коммерчески доступном производстве чипов, чтобы сделать его применение более доступным. Хотя мы невероятно рады возможностям применения целого ряда квантовых технологий, крайне важно, чтобы мы, как сообщество, продолжали решать проблему масштабируемого производства квантовых технологий. Без демонстрации действительно масштабируемого производства квантового оборудования влияние и преимущества квантовой технологии будут отложены и ограничены», — сказал ведущий автор работы профессор Джонатан Мэтьюз (Jonathan Matthews).

Группа учёных из Института Нильса Бора (Дания) сообщила о разработке необычной квантовой памяти — «квантового барабана». Это оптико-механическая память, которая запоминает квантовые состояния фотонов в механических (звуковых) колебаниях керамической мембраны — фактически барабана. Подобное устройство может сыграть роль повторителя для передачи запутанных квантовых состояний по сети, сделав квантовый интернет реальностью.

Источник изображения: Julian Robinson-Tait

«Квантовый барабан» представляет собой керамическую пластинку из похожего на стекло материала. В ряде предыдущих исследований учёные доказали, что специальным образом обработанная пластина керамики позволяет сохранять квантовые состояния ударившего в неё лазерного луча (фотонов). Чудесен не сам факт преобразования квантового состояния света в звук (в квазичастицу фонон), а то, что квантовое, по сути, устройство представлено вполне осязаемой деталью — квантовый микромир в этом устройстве воплотился на вполне осязаемом макроуровне, а с этим уже можно и нужно работать.

Барабан хранит квантовое состояние до того момента, когда его можно передать дальше по сети уже в виде фотонов. Это временная память и она категорически нужна для организации повторителей. Ведь нам хорошо известно, что главное достоинство квантовых сетей связи — это чувствительность к перехвату сообщений. Любой перехват «заряжённых» квантовым состоянием фотонов нарушает эти состояния и это служит индикатором о компрометации передачи. Если на магистрали установить классические повторители с переводом «кубитов» в цифру и обратно это даст канал для утечки, ведь цифру можно перехватить и это будет незаметно.

Источник изображения: University of Copenhagen

Чисто квантовые повторители — это проблема современности и их ещё развивать и развивать, или предлагать что-то новое, например, разработанные в Институте Нильса Бора «квантовые барабаны». Без подобных устройств не стоит даже мечтать о всемирной квантовой паутине. Датчане сделали уверенный шаг в нужном направлении. В лаборатории в условиях комнатной температуры они показали, что время жизни квантового сигнала в мембране достигает 23 мс с вероятностью эффективного извлечения 40 % для классических когерентных импульсов.

«Мы ожидаем, что хранение квантового света станет возможным при умеренных криогенных условиях (T≈10 К). Такие системы могут найти применение в новых квантовых сетях, где они могут служить в качестве долгоживущих оптических квантовых накопителей, сохраняя оптическую информацию в фононном [звуковом] режиме», — поясняют разработчики в статье в журнале Physical Review Letters.

МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова», работающие над созданием технологий квантовых компьютеров с 2016 года, заявили о запуске первого в России контрактного производства сверхпроводниковых квантовых процессоров на 100-мм пластинах. Производство разместится в новом кампусе МГТУ и должно удовлетворить спрос со стороны основных заказчиков, в числе которых технологические компании и научные лаборатории.

Источник изображений: МГТУ им. Н.Э. Баумана

Технологии сверхпроводниковых квантовых схем в значительной степени отличаются от классического полупроводникового КМОП-процессора и требуют соответствующих компетенций при производстве. В НОЦ ФМН (совместный научный центр МГТУ и ВНИИА) осуществили переход от изготовления «отдельных кристаллов» к серийному выпуску за счёт использования собственной технологии сверхпроводниковых джозефсоновских схем, которая является одной из наиболее перспективных при создании высокоточных квантовых процессоров и параметрических усилителей. На одной пластине размещаются сотни чипов разных квантовых устройств, которые объединены единым технологическим маршрутом изготовления.

Разработчикам потребовалось несколько лет, чтобы осуществить переход на серию с соблюдением параметров качества квантовых устройств, которое было достигнуто на отдельных чипах. Специалисты сознательно не хотели снижать уровень качества и в конечном счёте даже смогли улучшить точность изготовления элементов квантовых схем в допуске 0,5 нм. Для масштабирования технологии и организации контрактного производства ещё предстоит дооснастить построенный в этом году в новом Бауманском кампусе исследовательский кластер, площадь чистых комнат которого составляет 2500 м², уже спроектированным оборудованием.

Одна из важнейших задач при постановке серийного техпроцесса заключалась в создании наноразмерных элементов сверхпроводниковых устройств — джозефсоновских переходов. Они представляют собой трёхслойную структуру, состоящую из алюминия, туннельного оксида алюминия и алюминия (Al-AlOx-Al), внутри которой «рождается» кубит при переходе чипа в состояние сверхпроводимости (охлаждение процессора до температуры ниже 273 ºС). Специалисты НОЦ ФМН использовали технологию изготовления джозефсоновских переходов с линейными размерами в десятки нанометров с суб-нанометровой точностью. За счёт этого удалось добиться рекордных показателей воспроизводимости электрических характеристик переходов и параметров кубитов процессоров на мировом уровне.

Для постановки технологии в серийное производство на пластине 100 мм командой исследователей предложена и внедрена математическая модель, симулирующая процесс воспроизводимого форматирования джозефсоновских переходов. Полученные результаты позволяют изготавливать квантовые интегральные схемы с высочайшей точностью контроля частот кубитов.

Считается, что в обычных световых импульсах напряженность электромагнитного поля меняется со временем по синусоиде. Другие формы поля считались невозможными, пока недавно российские физики не предложили теоретический подход, меняющий правила игры. Открытие позволит формировать световые импульсы треугольной или прямоугольной формы, что привнесёт много нового в работу схем квантовых компьютеров.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Как установили исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета и Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург), изменить форму напряжённости электромагнитного поля в оптическом диапазоне можно с помощью неравномерного распределения плотности в среде, через которую пропускают импульсы сверхкороткой длительности в несколько фемтосекунд. Чем больше форм и разновидностей оптических импульсов получится создавать, тем более точным будет управление кубитами, например, в виде атомов и даже электронов.

Авторы работы теоретически смоделировали прохождение двух последовательных сверхкоротких оптических импульсов через газообразный натрий. Первичные импульсы были классической дугообразной формы, соответствующей половине периода обычной электромагнитной волны. По условиям моделирования импульсы проходили в среде путь длиной 5 мкм. Первый из импульсов передавал возбуждение атомам натрия, запуская их колебания, а второй останавливал их. Этот процесс вызывал отклик электромагнитного поля в виде двух пиков и с этим уже можно работать.

Исследователи предложили таким образом изменить плотность среды, чтобы плотность размещения атомов натрия менялась от малой к большой, затем шло плато, после чего плотность снова снижалась. Таким образом изменение плотности напоминало трапецию. После этого модель стала выдавать импульсы света строго прямоугольной формы. Меняя переход плотности среды на участках подъёма и спада с линейной на параболическую, учёные заставляли импульсы принимать треугольную форму.

Импульсы прямоугольной и треугольной формы. Источник изображения: Ростислав Архипов

«Мы теоретически показали, что, меняя распределение плотности в среде, через которую проходит оптический импульс, можно управлять его формой. Далее предстоит экспериментально проверить наши выводы. В дальнейшем мы планируем исследовать, как оптические импульсы разной формы будут влиять на состояние квантовых систем, которые лежат в основе квантовых компьютеров», — рассказал руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ростислав Архипов, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник физического факультета СПбГУ.

Добавим, работа по исследованию была опубликована в журнале Optics Letters.