Рух квантового майбутнього: фононна інтерференція та нові матеріали

На відміну від класичних комп'ютерів, таких як наші ноутбуки та смартфони, квантовий комп'ютер використовує властивості квантової фізики для виконання обчислень та зберігання даних, що робить його кращим навіть за деякі з найкращих сучасних суперкомп'ютерів у певних завданнях.

На відміну від кодування інформації у двійкових бітах (нулях або одиницях), як у звичайних комп'ютерах, базовий блок пам'яті квантового комп'ютера є кубітом, який зроблено використовуючи фізичні системи, такі як спін електрона або орієнтація фотона. 

Квантові біти, або кубіти, можна організувати одночасно багатьма різними способами. Цей означає, що вони можуть одночасно представляти і 0, і 1, властивість, яка називається квантовою суперпозицією. Кубіти також можуть бути пов'язаним через квантову заплутаність, де пов'язані частинки мають однакову долю незалежно від відстані між ними.

В результаті квантовий комп'ютер вважається мати можливість виконувати обчислення експоненціально швидше, ніж будь-який класичний комп'ютер. 

Завдяки цій перевазі квантові комп'ютери обіцяють революціонізувати сучасні обчислення. Теоретично вони можуть оптимізувати логістику, зламати поширені схеми шифрування, уможливити відкриття нових ліків і матеріалів, а також допомогти фізикам виконувати фізичні симуляції. 

Хоча квантові комп'ютери ще не стали реальністю, прагнення створити практичний прискорюється, оскільки великі технологічні компанії працюють над масштабуванням від невеликих лабораторних експериментів до повноцінних робочих систем у найближчі роки.

IBM вже виклала свій детальний план, а Джей Гамбетта, керівник квантової ініціативи IBM, заявив Financial Times, що це вже не мрія:

«Я справді відчуваю, що ми розгадали код і зможемо побудувати цю машину до кінця десятиліття».

Хоча Google, Алфавіт (GOOG ) компанія, що належить їй, також впевнена у своїй здатності виготовити систему промислового масштабу в ці терміни, Amazon (AMZN ) очікується, що ще кілька десятиліть стануть справді корисними для цих машин.

Очевидно, що найбільші гравці галузі приділяють сильну увагу цій новітній технології, хоча їхньому реальному впровадженню продовжує перешкоджати кілька проблем.

Цей включає сприйнятливість кубітів до збурень у навколишньому середовищі, також відомих як «шум». Такі фактори, як тепло, вібрації та електромагнітні поля може призвести до втрати кубітом своїх квантових властивостей. Цей процес, відомий як квантова декогеренція, призводить до збою системи та вносити помилки в розрахунки. Ця чутливість є серйозною проблемою при створенні та експлуатації квантових комп'ютерів.

Щоб захистити кубіти від зовнішнього впливу, вчені або фізично ізолюють їх, або охолоджують, або ж впливають на них концентрованими сплесками енергії.

Окрім шуму, квантові комп'ютери стикаються з такими проблемами, як корекція помилок, масштабованість, спеціалізовані знання, ресурсоємність та інтеграція з класичними системами. Добре те, що ці проблеми активно вирішуються компаніями та вченими за допомогою різних підходів, щоб зробити квантові комп'ютери реальністю. 

Неглектони: недооцінені частинки в квантових обчисленнях

Один із способів подолання крихкості кубітів для створення стабільних квантових комп'ютерів — це поєднання їх з математичними елементами, які... бачили раніше як нерелевантний. 

Про це відкриття минулого тижня повідомили математики, які зазначили, що непомічені частинки, які називаються «неглектони» можуть допомогти революціонізувати сектор¹.

Квазічастинка, про яку йдеться тут, називається ізінгівським еніоном, який існує лише у двовимірних системах і є основою топологічних квантових обчислень. Це означає, що еніони зберігають інформацію не в самих частинках, а у способі, яким вони обертаються одна навколо одної, що набагато стійкіше до шуму. Проблема тут полягає в тому, що ізінгівські еніони не є універсальними.

Щоб вирішити цю проблему, команда звернулася до «ненапівпростої топологічної квантової теорії поля». Ця теорія дозволяє передбачати нові, невідомі частинки «просто розуміючи симетрію того, що відбувається».

Відповідно до цього, кожна частинка має квантовий вимір, число, яке відображає її «вагу» або вплив у системі. Хоча частинка з нульовою вагою зазвичай відкидається, у нових не-напівпростих версіях ці частинки зберігаються перед тим з'ясувати як зробити так, щоб цього числа не було нуль.

Переосмислені занедбані фрагменти забезпечують відсутні можливості Ізінга, аніонів. 

Дослідження продемонструвало, що маючи лише один неглектон, частинка здатна до універсального обчислення лише за допомогою сплетіння. Примітно, що аніони Ізінга можуть створювати суперпозиції, оскільки вони залежать від форми шляху сплетення, а не від точних розташувань, і природно захищені від багатьох видів шуму.

Навчання ШІ ефективному переупорядкуванню атомів

В іншому випадку дослідники використали штучний інтелект для складання «мозку» квантового комп’ютера².

Що за команда зробили вони застосував штучний інтелект для придумати найоптимальніший спосіб швидко зібрати мережу атомів, яка колись у майбутньому може діяти як мозок квантового комп'ютера.

За словами співавтора дослідження, Цзянь-Вей Пан, фізик з Китайського університету науки і технологій:

«Штучний інтелект для науки стає потужною парадигмою для вирішення складних наукових проблем».

Під час створення «масивів нейтральних атомів» завдання полягає в тому, щоб знайти спосіб їх перегрупування «ефективним, швидким та масштабованим способом», що вирішив штучний інтелект.

Нейтральні атоми, захоплені іони та надпровідні схеми використовуються дослідниками для створення кубітів завдяки їхній здатності зберігати квантові стани протягом відносно тривалого часу. Коли атоми використовуються як кубіти, вони потрапили в пастку за допомогою лазерного світла та зберігають квантову інформацію на енергетичних рівнях своїх електронів.

Ідея полягає в тому, щоб використовувати достатню кількість атомів, щоб допомогти квантовому комп'ютеру подолати помилки. Отже, команда навчила модель штучного інтелекту тому, як атоми рубідію (Rb) можна помістити у різні конфігурації сітки, використовуючи різні шаблони лазерного світла. Потім, на основі початкових розташувань атомів, модель штучного інтелекту може розрахувати точний шаблон світла, необхідний для їх перегрупування у 2D та 3D форми.

Використовуючи свою модель штучного інтелекту, команда зібрала масив із 2,024 атомів рубідію всього за 60 мілісекунд. У дослідженні зазначається:

"Цей протокол можна легко використовувати для створення бездефектних масивів з десятків тисяч атомів за допомогою сучасних технологій та стати корисним інструментарієм для квантової корекції помилок."

Магічна дистиляція станів логічних кубітів

Тим часом, минулого місяця, вчені досяг прориву в «магічний стан»³ для створення безпомилкових квантових комп'ютерів.

Вчені фактично продемонстрували явище під назвою «дистиляція магічних станів», яке, хоча й було запропоновано два десятиліття тому, досі не використовувалося в логічних кубітах. Цей попри те, що його вважають критично важливим для створення «магічних станів», які він має необхідно для повної реалізації потенціалу квантових комп'ютерів.

Такі стани заздалегідь готуються до споживання як ресурсів складними квантовими алгоритмами.

Для їх використання алгоритмами, магічні стани найвищої якості спочатку «очищаються» за допомогою процесу фільтрації, який називається дистиляцією магічних станів. Хоча це можливо на простих, схильних до помилок фізичних кубітах, цей процес неможливий на логічних кубітах, які є configured щоб виявити та виправити помилки.

Тепер, вперше, вчені продемонстрували магічну дистиляцію станів на практиці на логічних кубітах.

Використовуючи квантовий комп'ютер Gemini з нейтральними атомами, вчені дистилювали п'ять недосконалих магічних станів в один чистіший магічний стан. Виконавши це окремо на логічному кубіті Distance-3 та Distance-5, вчені показали, що процес дистиляції масштабується залежно від якості логічного кубіта.

В результаті цього, точність кінцевого магічного стану перевершує точність будь-якого вхідного сигналу, що підтверджує, що дистиляція магічного стану, стійка до збурень, насправді працює на практиці.

Розблокування квантової пам'яті за допомогою звукових хвиль

І ось, лише минулого тижня, вчені з Каліфорнійського технологічного інституту опублікували результати дослідження, які продемонстрували Звукові хвилі відкривають ще один шлях до практичних квантових обчислень⁴.

Вони створили гібридну квантову пам'ять, яка перетворює електричну інформацію на звук. Цей дозволяє квантовим станам існувати до тридцяти разів довше, ніж у стандартних надпровідних системах, де ретельно розроблені резонатори дозволяють електронам формувати надпровідні кубіти, які чудово виконують швидкі та складні операції, але не підходять для тривалого зберігання. 

Зберігання інформації в квантових станах продовжує бути проблемою, для вирішення якої дослідники створюють «квантові пам'яті» для зберігання квантової інформації протягом періоду, що перевищує термін зберігання широко використовуваних надпровідних кубітів. А новий гібридний метод команди Каліфорнійського технологічного інституту розширив квантову пам'ять. 

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

– Мохаммад Мірхоссейні, доцент кафедри електротехніки та прикладної техніки фізика

Отже, команда створила надпровідний кубіт на чіпі та підключила його до крихітного пристрою, який отримав назву механічного осцилятора, що по суті є камертоном малого розміру. 

Цей осцилятор складається гнучких пластин, які вібрують у відповідь на звукові хвилі частоти ГГц. При застосуванні електричного заряду ці пластини взаємодіють з електричними сигналами, що несуть квантову інформацію, дозволяючи інформації бути спрямованим у пристрій для зберігання як «пам’ять», а потім пізніше виводяться назовні або «запам’ятовуються».

Після вимірювання дослідники виявили, що осцилятор має час життя, тобто час, необхідний для втрати квантового вмісту після отримання інформації. введено у пристрій, що було приблизно в 30 разів довше, ніж у найкращих надпровідних кубітів.

Серед усього цього прогресу, два нові дослідження, підтримані Національним науковим фондом, досягли основний прориви, які наближають нас ще на один крок до практичного використання квантових комп'ютерів.

Нові квантові матеріали для стабільних кубітів

Команда дослідників з Технологічного університету Чалмерса, Гельсінський університет та Університет Аалто представили квантовий матеріал, який може назавжди змінити квантові обчислення, зробивши квантові комп'ютери стабільнішими. Це досягається за допомогою магнетизму для захисту тендітних кубітів від шуму. 

У поєднанні з їхнім обчислювальним інструментом для пошуку матеріалів з магнітними взаємодіями, цей прорив може нарешті призвести до створення практичних, відмовостійких квантових комп'ютерів.

Новий тип квантового матеріалу, разом із методом досягнення стабільності, може зробити квантові комп'ютери більш стійкими, тим самим відкриваючи шлях для їх практичного використання в обробці квантових обчислень.

Останнім часом дослідники активно досліджують можливість створення абсолютно нових матеріалів для вирішення проблеми шуму, забезпечуючи необхідний захист від збурень у їхній топології.

Квантові стани, що виникають, і є стійкими через саму притаманну структуру матеріалу, що використовується для створення кубітів, називаються топологічними збудженнями. Вони є стійкими та стабільними. Однак, залишається завдання знайти матеріали, які природним чином підтримують стійкі квантові стани.

В останньому дослідженні успішно розроблено один такий новий квантовий матеріал для кубітів, який демонструє стійкі топологічні збудження⁵.

Цей знаменує собою багатообіцяючий крок до практичних топологічних квантових обчислень, оскільки стабільність вбудована безпосередньо в конструкцію матеріалу.

За словами провідного автора дослідження, Гуанзе Чена, постдокторанта з прикладної квантової фізики в Чалмерському університеті:

«Це абсолютно новий тип екзотичного квантового матеріалу, який може зберігати свої квантові властивості під впливом зовнішніх збурень. Він може сприяти розробці квантових комп’ютерів, достатньо потужних для виконання квантових розрахунків на практиці».

«Екзотичні квантові матеріали» стосуються кількох нових класів твердих тіл з високою пружністю та екстремальними квантовими властивостями, і пошук таких матеріалів вже давно є проблемою.

Тепер, коли справа доходить до нового методу команди, магнетизм є ключем. Традиційно дослідники дотримувалися давно встановленого «рецепту», заснованого на спін-орбітальному зв'язку (SOC). Цей — це квантова взаємодія, яка пов'язує спін електрона з його орбітальним рухом навколо атомного ядра, створюючи топологічні збудження. 

Але це досить рідкісне явище і може використовуватися лише на обмеженій кількості матеріалів. Таким чином, команда представила новий метод для досягнення того ж ефекту. У новому методі використовується магнетизм, який є більш поширеним та доступним.

Використовуючи магнітні взаємодії, команда змогла створити потужні топологічні збудження, необхідні для топологічних квантових обчислень.

«Перевага нашого методу полягає в тому, що магнетизм природним чином існує в багатьох матеріалах. Ви можете порівняти це з випічкою зі звичайними інгредієнтами, а не з використанням рідкісних спецій», – зазначив Чен. «Це означає, що тепер ми можемо шукати топологічні властивості в набагато ширшому спектрі матеріалів, включаючи ті, які раніше…» було проігноровано».

Окрім нового матеріалу та методу, дослідники також розробили абсолютно новий обчислювальний інструмент.

Цей інструмент допоміг їм швидше знаходити нові матеріали з бажаними топологічними властивостями. Він може безпосередньо розрахувати, наскільки сильною є топологічна поведінка матеріалу.

"Наша надія — «що цей підхід може допомогти у відкритті багатьох інших екзотичних матеріалів», – сказав Чен. «Зрештою, це може призвести до створення квантових комп’ютерних платформ наступного покоління, побудованих на матеріалах, які природно стійкі до тих збурень, що турбують сучасні системи».

Використання невикористаної сили фононів

Ще один прорив стався було досягнуто дослідниками з Університету Райса, що може прокласти шлях для технологій наступного покоління в галузі сенсорних систем та обчислень. Цей проект має показав сильну форму інтерференції між фононами⁶.

Фонони – це коливання в структурі матеріалу, які утворюють найменші одиниці тепла або звуку в цій системі. 

Коли два фонони з різним розподілом частот втручатися один з одним, це явище відоме як Резонанс ФаноУ дослідженні повідомлялося про резонанс Фано на два порядки величини більший, ніж будь-коли.

«Хоча це явище добре вивчене для таких частинок, як електрони та фотони, інтерференція між фононами...» було набагато менше досліджено«», – сказав перший автор дослідження, Куньян Чжан, колишній постдокторант у Райс-Університеті. «Це втрачена можливість, оскільки фонони можуть зберігати свою хвильову поведінку протягом тривалого часу, що робить їх перспективними для стабільних, високопродуктивних пристроїв».

Дослідження ефективно продемонструвало, що фонони можна використовувати так само успішно, як світло чи електрони, прокладаючи шлях для технологій нового покоління на основі фононів. Основою цього прориву є використання двовимірного металу поверх карбіду кремнію.

Між шаром графену та карбіду кремнію команда вставила кілька шарів атомів срібла, використовуючи техніку гетероепітаксії обмеження, що створило щільно зв'язаний інтерфейс з винятковими квантовими властивостями.

«Двовимірний метал запускає та посилює інтерференцію між різними коливальними режимами в карбіді кремнію, досягаючи рекордних рівнів».

– Чжан

Для своєї роботи команда дослідила просто як фонони інтерферують один з одним. Для цього вони досліджували форму свого сигналу за допомогою раманівської спектроскопії, методу, що використовується для вимірювання коливальних мод матеріалу. Дослідники виявили різко асиметричну форму лінії, яка в деяких випадках демонструвала повне провал, утворюючи антирезонансну картину, характерну для інтенсивної інтерференції.

Цей ефект продемонстрував високу чутливість до специфіки поверхні карбіду кремнію (SiC).

Порівнюючи три унікальні поверхневі завершення SiC, дослідники виявили сильний зв'язок між кожним з них та унікальною формою лінії Рамана. Крім того, форма спектральної лінії помітно змінювалася, коли одна молекула барвника... було введено на поверхню.

«Ця інтерференція настільки чутлива, що може виявити присутність однієї молекули», — сказав Чжан. «Вона дозволяє виявляти окремі молекули без міток за допомогою простої та масштабованої установки. Наші результати відкривають новий шлях для використання фононів у квантовому зондуванні та молекулярному детектуванні наступного покоління».

Розглядаючи динаміку ефекту за низьких температур, це було підтверджено що інтерференція виникає виключно від фононних взаємодій, а не від електронів, що робить її рідкісним випадком квантової інтерференції лише фононів. 

Команда спостерігала цей ефект лише у двовимірній системі карбіду кремнію, яку вони використовували, через конфігурації поверхні та спеціальні шляхи переходу, що забезпечуються тонким шаром.

«Порівняно зі звичайними датчиками, наш метод пропонує високу чутливість без необхідності спеціальних хімічних міток або складного налаштування пристрою», — сказав співавтор дослідження Шенсі Хуан. доцент кафедри електротехніки та обчислювальної техніки та матеріалознавство та наноінженерія в Райс-коледжі. «Цей підхід на основі фононів не лише покращує молекулярне зондування, але й відкриває захопливі можливості в енергетиці» збирання, управління температурою та квантові технології, де ключовим є контроль коливань».

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Інвестування в квантові обчислення

Кілька великих технологічних гігантів та інвесторів роблять великі ставки на квантові прориви. Це включає такі компанії, як IBM (IBM ), Google, Amazon, Microsoft (MSFT ), та багато інших. Усі вони масштабують свої квантові ініціативи, тоді як венчурний капітал продовжує безперебійно надходити в стартапи, що досліджують нові матеріали, виправлення помилок та фононні технології.

Microsoft (MSFT )

Серед усіх цих відомих імен Microsoft значно виділяється. Вона просуває інвестиції як у квантові технології, так і в технології термоядерного синтезу, представляючи їх як додаткові технології для забезпечення роботи центрів обробки даних на базі штучного інтелекту в майбутньому. Аналогічно, квантова лабораторія штучного інтелекту Google та багаторічні квантові дорожні карти IBM відображають їхню мету створення практичних квантових машин протягом десятиліття.

Ціна акцій Microsoft зросла з приблизно 354 доларів на початку квітня 2025 року до піку понад 524 доларів у серпні, а потім станом на 509 серпня знизилася до приблизно 19 доларів. Поточна оцінка компанії включає коефіцієнт P/E 38.1, прибуток на акцію (TTM) – 13.70 долара, а дивідендна дохідність – 0.59%. А за 2025 фінансовий рік виручка склала 281.7 мільярда доларів, а чистий прибуток – 101.8 мільярда доларів. Зокрема, попит на хмарний бізнес та бізнес штучного інтелекту допомагає підвищити її ефективність.

Останні Корпорація Майкрософт (MSFT) Новини та події акцій

Висновок

Квантові комп'ютери можуть похвалитися здатністю виконувати складні обчислення зі швидкістю, набагато більшою... перевищуючи можливості класичних комп'ютерів, що обіцяє забезпечити прориви в різних галузях, включаючи розробку ліків, матеріалознавство, штучний інтелект та криптографію.

Але, звичайно, квантові комп'ютери далекі від реальності. як і раніше, стикаючись з такими проблемами, як шум, масштабованість, стабільність, сховище, пам'ять та керування. З позитивного боку, однак, дослідники постійно досягають прогресу в усіх цих різних напрямках, і разом вони наближають нас до розблокування практичних квантових комп'ютерів!

Натисніть тут, щоб переглянути список п'яти найкращих компаній у сфері квантових обчислень.

Список використаної літератури:

1. Іуліанеллі, Ф., Кім, С., Суссан, Дж. та ін. Універсальні квантові обчислення з використанням ізингівських аніонів з ненапівпростої топологічної квантової теорії поля. Природа зв'язку, 16, 6408, опубліковано 05 серпня 2025 року. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
2. Ахарт, Дж. (2025 серпня 15 р.). Штучний інтелект допомагає зібрати «мозок» майбутнього квантового комп’ютера. Nature. https://doi.org/10.1038/d41586-025-02577-9
3. Сейлз Родрігес, П., Робінсон, Дж. М., Джепсен, П. Н. та ін. Експериментальна демонстрація логічної дистиляції магічних станів. Nature, опубліковано 14 липня 2025 року. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09367-3
4. Бозкурт, А.Б., Голамі, О., Ю, Ю. та ін. Механічна квантова пам'ять для мікрохвильових фотонів. Фізика природи, опубліковано 13 серпня 2025 року. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
5. Ліппо, З., Перейра, Е.Л., Ладо, Дж.Л. та Чен, Г. Топологічні нульові моди та кореляційне накачування в інженерній решітці Кондо. Physical Review Letters,, 134(11), 116605, опубліковано у березні 2025 року. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.116605
6. Чжан, К. та ін. Настроювана фононна квантова інтерференція, індукована двовимірними металами. Наука розвивається, 11, eadw1800, опубліковано 2025 року. https://doi.org/10.1126/sciadv.adw1800