В России создан прототип устройства квантовой оперативной памяти — чипа, который сохраняет состояние квантовых сигналов и способен воспроизводить их по требованию. Разработка позволит внедрять продвинутые алгоритмы коррекции ошибок, повышающие точность операций. Квантовые чипы также найдут применение в радарных системах нового поколения, способных обнаруживать стелс‑беспилотники, невидимые для традиционных средств слежения. Кроме того, они могут использоваться в астрофизических приборах, которые позволят изучать поверхность экзопланет на расстоянии десятков световых лет.
Как сохранить квантовую информацию
Ученые кластера «Квантум Парк» Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана и Всероссийского научно-исследовательского института автоматики им. Н.Л. Духова разработали прототип управляемой квантовой памяти. Устройство может сохранять сигналы, «упакованные» в микроволновых импульсах, и воспроизводить их без потери информации.
В квантовых процессорах на сверхпроводниковых кубитах информацию кодируют в состояниях этих кубитов. Причем когда они переходят из одного состояния в другое, то излучают кванты (порции) энергии — фотоны микроволнового диапазона. Каждый из них имеет свой «отпечаток» — поляризацию и частоту. Это состояние разработчики и учатся сохранять.
— Чип квантовой памяти представляет собой систему «ячеек»-резонаторов, которые работают на разных частотах микроволнового диапазона, и активного «ключа» — переключателя, который действует на базе джозефсоновского перехода, который обеспечивает квантовый эффект «просачивания» частиц через изолирующий материал. В устройстве частоты входного импульса расходятся по системе резонаторов, словно ноты оркестра по своим партиям, и замирают в ожидании, — объяснил «Известиям» младший научный сотрудник кластера Алексей Матанин.
Процесс записи начинается с того, что поток фотонов в виде микроволнового импульса направляется в резонаторы и распределяется между ними. В этот момент «ключ» закрывается и отделяет систему от внешнего мира. В таком виде фотоны могут сохраняться долго, рассказал он.
Затем, на этапе считывания, пользователь подает сигналы наносекундной длительности, которые открывают «ключ» и резонаторы вновь соединяются с внешним миром. При этом на выходе формируется точная копия исходного импульса — тот же самый поток микроволновых фотонов, но сдвинутый во времени.
Где будет полезна квантовая память
По словам ученого, в экспериментах время хранения квантовой информации составило 1,51 микросекунды, а характерное время затухания эффективности — 11,44 мкс, это лучшие показатели в мире. Разработка также продемонстрировала эффективность хранения на уровне 57,5% при первом цикле считывания — в несколько раз выше показателей зарубежных аналогов: исследователи Стэнфордского университета (США) достигли 21%, а Университета Цинхуа (Китай) — 12%.
При этом важно, что предложенный принцип исключает потери на этапе хранения, отметил ученый. Также имеет большое значение, что в схеме задействована лишь одна линия управления. Это упрощает ее интеграцию с другими системами и делает более легко масштабируемой.
— Долгое время потери при передаче и хранении микроволновых фотонов были непреодолимым барьером. Мы разработали новую архитектуру ячейки квантовой памяти на чипе, которая позволила обойти эти ограничения и минимизировать влияние управляющих элементов на хранение квантовой информации. Впервые экспериментально мы получили устройство, теоретическая эффективность которого не ограничена и потенциально может достигать 100%, — подчеркнул руководитель кластера Илья Родионов.
Также имеет значение, что предложенная схема совместима со сверхпроводниковыми кубитами. Это открывает путь к ее интеграции в реальные квантовые процессоры, добавил он.
— Разработка продемонстрировала рекордные параметры, что стало достижением в решении одной из самых сложных задач квантовой инженерии. Наше устройство может стать той самой «квантовой оперативкой», которой не хватало для ускорения развития квантовых вычислений и сенсорики, — отметил ректор МГТУ Михаил Гордин.
По словам разработчиков, использование устройств квантовой памяти облегчит реализацию продвинутых алгоритмов коррекции ошибок, что значительно повысит точность квантовых вычислений. Также внедрение предложенных подходов позволит создавать распределенные квантовые системы путем повышения связности кубитов.
Разработка также будет востребована при создании сверхточных детекторов, включая квантовые сенсоры и радары. В отличие от классических систем, они смогут регистрировать объекты с минимальной отражающей поверхностью, например стелс‑беспилотники.
Как увидеть жизнь на экзопланетах
— Квантовая память — важный компонент будущих технологий. Эти элементы, в частности, обеспечат хранение и синхронизацию информации между операциями. В квантовых коммуникациях они позволят значительно увеличить расстояние между узлами связи, — рассказал «Известиям» сотрудник Казанского квантового центра, доцент кафедры Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева — КАИ Максим Смирнов.
Директор дизайн-центра квантового проектирования НИТУ МИСИС Наталия Малеева отметила, что реализация идеи системы резонаторов интересна и для квантовых сенсоров. При этом, когда речь идет об устройствах записи и хранения информации, естественное требование — это минимум искажения хранимой информации.
— Интригующе выглядит применение технологии в радиолокации. Сигнал, отраженный от самолета, построенного по стел-технологиям, ничтожно мал. Радар его не «видит», принимая за фоновый шум. Разработка позволит накапливать редкие кванты электромагнитного излучения, пока информации не станет достаточно, чтобы уверенно идентифицировать объекты, — объяснил главный конструктор Центра комплексных беспилотных решений Дмитрий Кузякин.
По его словам, это сделает современные системы маскировки летательных аппаратов бесполезными.
— Появление квантовых накопителей открывает принципиально новые возможности для систем противовоздушной обороны, разведки и тактических полевых комплексов. Фактически везде, где используют радиоэлектронную борьбу и системы обнаружения, такие инновации востребованы, — сообщил военный эксперт Дмитрий Корнев.
Однако следует сохранять здоровый прагматизм. Достижения на бумаге и создание прототипа — это лишь первый шаг. Только после серии испытаний в реальных условиях с помехами можно будет подтвердить переход технологии из разряда перспективных исследований в категорию серийного оборонного заказа, добавил он.
— На базе разработки в будущем можно создать квантовые телескопы, которые будут улавливать и накапливать отдельные фотоны от далеких космических объектов. Подобных устройств можно изготовить сколь угодно много. Таким образом ученые — в теории — получат «линзу» почти неограниченного диаметра и углового разрешения, — полагает астрофизик и популяризатор науки Владимир Афанасьев.
В частности, такие системы позволят на расстоянии 10–20 световых лет от Земли рассмотреть поверхность экзопланет, предположил он. Если, например, в «объектив» попадут облака, это позволит предположить возможность жизни на объекте.
Результаты исследований опубликованы в Physical Review Letters — в ведущем физическом журнале в мире.