Как стало известно, в минувший четверг испытания прототипа многоразовой ракеты китайской компании Space Epoch сопровождались также лётными испытаниями модулей уникальной квантовой связи без использования ключей шифрования. Это технология QSDC (прямая защищённая квантовая связь), пионерами в разработке которой считаются китайские учёные. Ракета подняла модули на высоту 2,5 км, в ходе чего впервые был установлен канал квантовой связи с Землёй.

Мягкое приводненние ракеты «Юаньсинчжэ-1» с модулем квантовой связи на борту. Источник изображения: Space Epoch

Технология QSDC была впервые представлена около четверти века назад. Наиболее активно её развивают в Китае. Она не предусматривает квантового распределения ключей шифрования, которое применялось до сих пор. Передача ключей шифрования, закодированных в квантовых состояниях фотонов, требует нескольких сеансов связи. Если ключи переданы без признаков перехвата, только тогда передаётся зашифрованная информация, после чего происходит её дешифровка. Прямая защищённая квантовая связь исключает этап передачи ключей и изначально формирует защищённый квантовый канал передачи. Очевидно, что в этом случае защищённая квантовая связь может стать повсеместной.

Испытания модулей QSDC во время запуска ракеты «Юаньсинчжэ-1» (Yuanxingzhe-1) проводились с целью оценки влияния на модули и канал связи внешних факторов в виде спектра излучений и вибраций. По словам учёных, канал связи земля—воздух—ракета (космос) был успешно создан и доказал работоспособность концепции.

«Запуск в основном проверял устойчивость модулей к различным воздействиям окружающей среды, возникающим во время подъёма ракеты, таким как вибрация и радиация, — говорится в сообщении Пекинской академии квантовых информационных наук (BAQIS). — Это испытание стало ключевым шагом в переходе Китая от экспериментальной проверки к созданию полностью интегрированной сети квантовой защищённой прямой связи космос—воздух—земля (QSDC)».

Для защищённой передачи информации по каналу QSDC используются квантовые эффекты (передача запутанных пар фотонов) с добавлением шума для маскирования полезного сигнала. Технология пока развивается. Наилучшим результатом стала передача данных QSDC по обычной оптике на расстояние 300 км между двумя парами абонентов, хотя скорость передачи составила всего 104 бит/ч с достоверностью 85 %.

По мере развития технологии QSDC она может заменить уже используемую технологию шифрования на основе квантового распределения ключей и стать доминирующей в средствах связи в Китае.

Канадский стартап Xanadu, проявивший себя при создании квантовых симуляторов на чипах Nvidia, сообщил о демонстрации первого в мире устойчивого к ошибкам фотонного кубита на чипе. В основе технологии компании лежит относительно новая теория квантовых состояний Готтесмана–Китаева–Прескилла (GKP), которая позволяет создавать кубиты и оперировать ими при комнатной температуре — это открывает путь к масштабированию квантовых платформ.

Четырёхстоечный квантовый компьютер Aurora. Источник изображений: Nature 2025

Ранее в этом году Xanadu представила четырёхстоечный квантовый компьютер Aurora. В новой работе, опубликованной в журнале Nature, специалисты компании показывают отказоустойчивый потенциал фотонного кубита на основе состояний GKP. В конечном итоге все современные проблемы квантовых платформ сводятся к высокой частоте возникновения ошибок вычислений, которые невозможно решить традиционными методами коррекции ошибок.

Квантовые состояния Готтесмана–Китаева–Прескилла хороши тем, что опираются на групповое поведение фотонов (в общем случае — бозонов). За счёт множества фотонов в состоянии суперпозиции шум или ошибочное переключение отдельных фотонов не нарушают общего квантового состояния группы, представляющей отдельный кубит. При этом квантовые состояния кодируются модуляцией луча и могут изменяться простой рекомбинацией нескольких лучей от лазерного источника или с помощью лазера накачки. Особая ценность этой технологии заключается в том, что измерения и контроль производятся обычными инструментами при комнатной температуре.

Прототип квантового чипа

Проблема масштабирования подобных систем до сих пор заключалась в том, что взаимодействие лучей происходило в воздухе или в вакууме. Разработчики из Xanadu смогли реализовать такое взаимодействие — фактически кубит — в кремнии. Точнее, на подложке из нитрида кремния. По их словам, это первое в мире решение на чипе с устойчивым к ошибкам фотонным кубитом. Опубликованная в Nature работа подтверждает достоверность этого утверждения.

Созданная схема далека от идеала и испытывает трудности при подсчёте одиночных фотонов — одного из ключевых элементов платформы Xanadu. Однако она доказывает возможность оперирования состояниями GKP не в открытой среде, а в полностью замкнутой системе чип-оптоволокно. Благодаря этому платформа может быть быстро масштабирована до миллиона кубитов, что компания обещает продемонстрировать не позднее 2029 года.

Перед лицом угрозы, исходящей от огромной вычислительной мощности новых квантовых компьютеров, безопасность связи должна подняться на более высокий уровень, уверены учёные из Китая. Для этого они разработали и развивают технологию QSDC (прямой защищённой квантовой связи), которую считают перспективной для квантовой коммуникации.

Источник изображения: ИИ-генерация Grok 3/3DNews

Учёные утверждают, что технология QSDC (Quantum Secure Direct Communication) безопасна и защищена от угроз со стороны квантовых вычислений, позволяя передавать секретные сообщения непосредственно по квантовому каналу через обычные оптоволоконные линии связи. Технология QSDC получила теоретическое обоснование в начале 2000-х годов, а первый прототип системы был продемонстрирован в 2020 году в Пекинской академии наук.

До появления QSDC в квантовой криптографии широко применялся метод квантового распределения ключей (QKD), который сегодня остаётся единственным практически реализованным способом квантовой криптографии. По обычным каналам связи передаётся только квантовый ключ шифрования; попытка его перехвата указывает на атаку. Пока ключ не передан абоненту без признаков перехвата, он считается скомпрометированным. О факте перехвата становится известно благодаря квантовым эффектам — в частности, из-за разрушения квантовых состояний фотонов (так называемый эффект наблюдателя), которые кодируют ключ.

Существует также возможность квантовой телепортации для безопасной передачи информации, но эта технология ещё более сложна и на базовом уровне пока не позволяет передавать информацию в полном смысле этого слова.

Метод QSDC — это новое слово в безопасной связи на основе квантовой механики и, как утверждают китайские учёные, наиболее прогрессивная технология из всех доступных на сегодняшний день.

Экспериментальная сеть QSDC использует лазеры накачки для передачи пар запутанных фотонов между абонентами. Чем больше лазеров накачки, тем больше абонентов можно обслуживать на одной линии. Фотоны передаются по обычным оптическим каналам связи, что позволяет рассчитывать на широкое внедрение QSDC. Для повышения защищённости передачи в канал намеренно добавляется шум, маскирующий полезный сигнал.

Для сокрытия информации в канале связи QSDC не требуется никакой ключ шифрования, что упрощает организацию защищённых каналов связи, работу с ними и с оборудованием. Защитой служат законы квантовой механики (в частности, квантовая запутанность фотонов) и искусственная зашумлённость канала.

В феврале одна из команд китайских учёных установила рекорд передачи данных по QSDC: 2,38 Кбит/с по стандартному телекоммуникационному оптоволокну длиной 104,8 км. В новой работе, с использованием двух лазеров накачки и дополнительного уровня шума, дальность связи была утроена и достигла 300 км. Скорость передачи оказалась крайне низкой — всего 104 бит/ч с достоверностью 85 %, но технология доказала свою жизнеспособность. Более чувствительные детекторы одиночных фотонов позволят в будущем значительно повысить скорость передачи до практических значений.

Австралийский стартап Diraq опубликовал в журнале Nature Communications статью, в которой впервые обосновал возможность выпуска квантовых процессоров из кремния на основе электронных спиновых кубитов. Исследователи Diraq доказали соответствие созданных ими спиновых кубитов квантовой теории. Доказательство получено с помощью нарушения неравенства Белла, что подтверждает подлинную квантовую природу запутанной пары электронов — её нелокальность.

Источник изображения: ИИ-генерация Grok 3/3DNews

В статье Эйнштейна, Подольского и Розена 1935 года авторы сообщили об обнаружении «жуткого» состояния запутанности, которому не смогли дать объяснение. Они предположили, что созданная к тому времени квантовая теория может быть неполной, а частицы могут обладать скрытыми параметрами. Это и называется локальным реализмом. Между тем ЭПР-пары запутанных частиц демонстрировали ту самую «жуть», о которой говорил Эйнштейн: они мгновенно реагировали на измерения состояния одной из них, независимо от расстояния. Для создателя теории относительности с её постулатом о предельной скорости света такое казалось немыслимым.

В 1964 году физик Джон Белл разработал способ проверки ЭПР-пар на наличие скрытых параметров. Он предложил уравнения, при нарушении которых система демонстрировала квантовые свойства — описывалась волновой функцией и проявляла нелокальность. В противном случае система считалась классической и подчинялась законам обычной физики, включая общую теорию относительности. Поскольку вычисления и эксперименты в квантовой механике дают совпадение результатов с точностью до 12-го знака после запятой, квантовой математике принято доверять абсолютно. В квантовом мире поведение частиц соответствует проведённым расчётам.

Для пар фотонов, обладающих как спином, так и поляризацией (это также квантовые свойства), первые эксперименты по нарушению неравенства Белла были проведены в конце 70-х — начале 80-х годов XX века. Для электронов, согласно статье австралийцев, в предложенной конфигурации на кремнии подобные опыты ещё не проводились. Иначе говоря, квантовая природа кремниевых кубитов формально до сих пор не была доказана.

Следует отметить, что стартап Diraq, основанный в 2022 году, вырос из крепкой академической среды — Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее. Многие научные группы этого университета занимаются квантовыми платформами на основе спиновых кубитов. У Diraq за плечами значительный опыт, багаж знаний и портфель патентов.

Стартап развивает модифицированный кремниевый полевой транзистор, способный управлять одним-единственным электроном, точнее — его спином. Технологию производства таких транзисторов и процессоров назвали SiMOS (кремний–металл–оксид–полупроводник) по аналогии с КМОП. Техпроцесс SiMOS реализуем на том же промышленном оборудовании, которое используется для производства обычных транзисторов и процессоров. По замыслу разработчиков, каждый такой транзистор может быть кубитом. Очевидно, что подобная платформа идеально масштабируется до миллионов и миллионов кубитов.

В своей работе Diraq продемонстрировала нарушение неравенства Белла с результатом S = 2,731. Это значение превышает классический предел (S ≤ 2), что подтверждает наличие квантовой запутанности и нелокальных корреляций между кубитами. Также система показала точность состояния Белла (Bell state fidelity) выше 97 % без коррекции ошибок считывания. Это означает, что кубиты в запутанном состоянии сохраняют свою квантовую природу с очень высокой точностью, что критически важно для квантовых вычислений. При этом система функционировала при относительно высокой температуре — 1,1 К, что примерно в 20 раз выше, чем у обычных сверхпроводящих кубитов.

Эндрю Дзурак (Andrew Dzurak), генеральный директор Diraq, прокомментировал результаты исследования: «Запутанность, возможно, является самым глубоким свойством квантовой механики и фундаментальной основой для работы квантовых компьютеров и получения квантовых преимуществ. С помощью современных инструментов для манипулирования электронными спиновыми кубитами в квантовых точках SiMOS и повышения их производительности наша команда в Diraq нарушила неравенство Белла, продемонстрировав подлинную квантовую природу запутанных состояний. Мы считаем, что это — первое в мире создание электронных спиновых кубитов в квантовых точках, и этот успех демонстрирует зрелость квантовой обработки данных на основе спина в кремнии».

В журнале Nature вышла статья, в которой учёные из Университета Фудань сообщили о разработке самой быстрой в истории флеш-памяти. Прототип работает на скорости 400 пикосекунд как при записи, так и при чтении. Новая память получила поэтическое название «Рассвет» (Poxiao). Опытный экземпляр отличается скромной ёмкостью. Покорение объёмов начнётся на следующем этапе разработки.

Источник изображения: Nature

Разработкой нового типа памяти учёные из Китая занимаются с 2015 года. В 2021 году они предложили базовую теоретическую модель, а в 2024 году разработали сверхбыстрое устройство флеш-памяти с длиной канала 8 нм, что превысило физический предел размера флеш-памяти на основе кремния, составлявший около 15 нм. Но размеры — не главное. Главное — это невообразимая скорость работы новой энергонезависимой ячейки, которая оказалась в 100 000 раз выше скорости ячейки SRAM.

Учёные отметили, что классическая память на основе управления транзисторным каналом электромагнитным полем имеет фундаментальные ограничения для наращивания скорости записи и чтения. Электроны нужно «разогнать», чтобы заставить их перейти в ячейку памяти или покинуть её. Традиционные полупроводниковые материалы и воздействие на электроны полем делают всё это медленным по современным меркам. По большому счёту, мало что изменилось после изобретения полевого транзистора около 60 лет назад. Для ускорения буквально нужна другая физика.

Китайские учёные предложили использовать в качестве канала графен или условно двумерный полупроводник — диселенид вольфрама (WSe₂). Оба материала ведут себя схожим образом, хотя и имеют отличия. Распределение управляющего электромагнитного поля вдоль каналов таково, что электроны поступают в ячейку «сильно перегретыми» — с крайне высокой для них энергией.

В общем случае графен считается так называемым дираковским материалом, в котором электроны подчиняются квантовым уравнениям Дирака. Использование графена позволяет ускорить перемещение «горячих» электронов и дырок в ячейку памяти, минимизируя потери энергии. Фактически, в созданных условиях электрон как бы становится безмассовой частицей, что позволяет резко увеличить скорости записи и чтения. Работу о субнаносекундной флеш-памяти с 2D-улучшенной инжекцией горячих носителей (Subnanosecond flash memory enabled by 2D-enhanced hot-carrier injection) можно найти по этой ссылке. Она свободно доступна для прочтения.

В составе новой памяти тонкий 2D-канал оптимизирует распределение горизонтального электрического поля, повышая эффективность инжекции. Ток инжекции достигает 60,4 пА/мкм при напряжении 3,7 В. Новая память выдерживает более 5,5 млн циклов записи и стирания. Скорости записи и чтения одинаковы — по 0,4 нс для каждого режима. Объём прототипа составляет около 1 килобайта. В течение пяти лет команда обещает увеличить ёмкость до десятков мегабайт, получить лицензию и начать выпуск коммерческих экземпляров.

Учёные NASA в журнале EPJ Quantum Technology опубликовали статью, в которой сообщили о разработке первого космического квантового датчика для измерения силы тяжести вблизи Земли. Новый прибор сможет с высочайшей точностью создавать гравитационную карту планеты. Это поможет в навигации, в космических программах, а также позволит дистанционно определять залежи полезных ископаемых, включая нефть и питьевую воду.

Пример гравитационной карты Земли (красным обозначены области повышенной гравитации, синим — пониженной). Источник изображения: NASA

Квантовые датчики гравитации используют тот же принцип измерения силы тяжести, что и обычные датчики, только они будут на порядок чувствительнее. Для этого в квантовых датчиках в качестве тестовых масс, по ускорению падения которых определяется сила тяжести в конкретной точке пространства, используются атомы. В остальном всё происходит похожим образом. В зависимости от силы тяжести в каждой конкретной точке пространства тестовая масса будет падать с большим или меньшим ускорением. Тем самым далеко внизу на Земле и под её поверхностью, над которой пролетает спутник с датчиком, будет сосредоточено либо больше массы, либо меньше.

В качестве тестовой массы квантовый датчик Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder (QGGPf) использует сверхохлаждённые атомы рубидия. Охлажденные до температуры, близкой к абсолютному нулю, частицы в облаках атомов будут вести себя как волны. Квантовый гравитационный градиентометр измерит разницу в ускорении между волнами этой материи, чтобы обнаружить гравитационные аномалии.

В процессе разработки датчика QGGPf и спутниковой системы для него NASA сотрудничает с рядом компаний и центров исследований. Так, технологию сенсорных головок команда JPL разрабатывает с компаниями AOSense и Infleqtion. Центр NASA им. Годдарда вместе с Vector Atomic трудится над усовершенствованием лазерной оптической системы.

Квантовый датчик обещает оказаться достаточно компактным для размещения на борту одного сравнительно небольшого корабля. Его объём будет на уровне 0,25 м³, а масса составит около 125 кг. Традиционные гравитационные приборы космического базирования заметно больше и тяжелее.

Первые полётные испытания элементов квантового гравитационного датчика запланированы на конец текущего десятилетия. Дата вывода в космос полноценного квантового научного прибора не установлена — ещё предстоит преодолеть достаточно много технических барьеров. Помимо составления гравитационной карты Земли квантовый датчик поможет изучать планеты Солнечной системы и внесёт свой вклад в фундаментальную физику. В своей области он станет самым совершенным и первым такого рода научным инструментом.

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.