Квантовый компьютер хранит данные в вибрациях как ноты на гитаре

Внутри микрочипа размером с ноготь расположен квантовый компьютер, который сохраняет информацию в виде крошечных вибраций. Это достижение может изменить принципы создания таких устройств.

Хотя квантовый компьютер обычно не ассоциируется с музыкальными инструментами, в разработанном в ETH Zurich чипе данные хранятся в вибрациях, напоминающих ноты, резонирующие в гитаре. Эти движения не слышны человеческим ухом, поскольку происходят на очень высоких частотах в микроскопических механических резонаторах, где квантовую информацию передают пакеты вибрационной энергии — фононы.

Размер экспериментального чипа составляет около 7,5 мм в длину, 2,5 мм в ширину и 1 мм в толщину, что сопоставимо с шириной небольшого ногтя. Под руководством квантового физика Ивена Чу команда использовала эти микрорезонаторы в качестве рабочей памяти, связанной с сверхпроводящим квантовым процессором. Результаты, опубликованные в журнале Science, демонстрируют новую организацию квантового компьютера, приближенную к структуре классических компьютеров.

«Взаимодействие между квантовым процессором и квантовой памятью создает важную основу для развития квантовых компьютеров как мощного и надежного инструмента для вычислений, недоступных традиционным машинам», — отмечает Ивен Чу.

Применение модели ЦПУ и оперативной памяти

Большинство квантовых систем не разделяют четко вычисления и хранение данных: обработка и память часто интегрированы в одном аппаратном обеспечении, что усложняет масштабирование без добавления громоздких компонентов.

Команда Чу взяла за основу привычную модель классических компьютеров, где центральный процессор (CPU) выполняет вычисления, а оперативная память (RAM) временно хранит данные. Разделение функций позволяет процессору получать информацию по мере необходимости, не заставляя все части системы выполнять все задачи одновременно.

В экспериментальной квантовой архитектуре сверхпроводящий кубит выполняет роль процессора и управляющего элемента, а механические резонаторы служат для хранения квантовой информации во время вычислений. «В нашей квантовой рабочей памяти информация хранится не электромагнитным способом, как обычно, а в виде механических вибраций», — объясняет Чу.

Принцип работы вибрационной квантовой памяти

Кубит принципиально отличается от классического бита, который может принимать значение 0 или 1. Квантовые состояния могут существовать в суперпозициях и запутываться друг с другом, что потенциально позволяет квантовым компьютерам решать определённые задачи эффективнее классических. Однако создание аппаратуры, способной сохранять и управлять такими хрупкими состояниями, остается сложной задачей.

В системе ETH Zurich информация хранится в определённых вибрационных режимах резонаторов. Когда процессору требуется доступ к данным, сверхпроводящий кубит взаимодействует с выбранным режимом, изменяет его квантовое состояние и возвращает обратно в память.

Так реализуется разделение функций между двумя технологиями с разными преимуществами: сверхпроводящие кубиты обеспечивают быстрые операции и необходимую нелинейность для квантовой логики, а механические резонаторы компактны, поддерживают множество отдельных вибрационных режимов и способны сохранять квантовые состояния относительно долго.

Компактная память с расширенной емкостью

Многие существующие решения используют электромагнитные резонаторы для памяти из-за высокой точности управления и совместимости с сверхпроводящими цепями. Однако их размеры становятся проблемой при увеличении числа элементов памяти и кубитов на чипе.

Механические резонаторы способны разместить множество режимов в гораздо меньшем объеме. Каждый режим может служить отдельным местом для хранения информации, что позволяет одному компоненту обеспечивать доступ к множеству ячеек памяти без необходимости иметь отдельное устройство для каждой.

Исследователи экспериментально доказали, что механические режимы не только пассивно сохраняют квантовую информацию, но и при взаимодействии с сверхпроводящим кубитом могут участвовать в программируемой архитектуре, способной выполнять квантовые вычисления. Работа является демонстрацией принципа, а не готовым коммерческим компьютером, но показывает, что вибрационная память может использоваться как практический вычислительный ресурс.

Тестирование программируемой квантовой архитектуры

Для проверки конструкции ученые реализовали две важные процедуры: квантовое преобразование Фурье и поиск периода.

«Квантовое преобразование Фурье — фундаментальная вычислительная процедура, необходимая для многих квантовых алгоритмов. Алгоритм поиска периода, который мы реализовали, служит демонстрацией применения этой процедуры», — поясняет Игорь Кладарич, аспирант из команды Чу и соавтор публикации.

Преобразование Фурье помогает выявлять скрытые закономерности в квантовых данных и является базовым элементом нескольких ключевых алгоритмов. Поиск периода использует эту процедуру для определения повторяющихся математических структур и связан с одними из наиболее обсуждаемых потенциальных применений квантовых вычислений.

Обе задачи требовали от системы подготовки, хранения, соединения и точного управления несколькими квантовыми состояниями. Архитектура должна была передавать информацию между процессором и различными механическими режимами памяти, сохраняя когерентность, необходимую для вычислений. Успешные эксперименты показали, что система может выполнять управляемые фазовые операции и связывать сохранённые состояния по всей доступной памяти.

В теории архитектура включает основные операции, необходимые для универсальных квантовых вычислений. Это не означает, что чип уже превосходит классические компьютеры, но демонстрирует возможность управления компактным набором механических режимов памяти для запуска программируемых алгоритмов.

Следующим вызовом станет масштабирование. Практически полезный квантовый компьютер потребует значительно больше памяти, вычислительной мощности, низких уровней ошибок и надежного управления большим числом квантовых состояний. Теперь исследователям предстоит выяснить, сохранят ли механические резонаторы свои преимущества при расширении архитектуры.

Источник: «Mechanical resonator–based quantum computing» Юй Ян, Игорь Кладарич, Мартиняс Скрабулис и др., 28 мая 2026, Science. DOI: 10.1126/science.aef4139