Представьте, что информацию в квантовом компьютере можно передавать не за счёт сложных проводов и резонаторов, а прямым перемещением самих квантовых битов – как по конвейерной ленте. В недавних новостях сообщается, что российские учёные предложили именно такой подход: «летающие кубиты», управляемые магнитным полем. Их метод позволяет переключать квантовые регистры в режим передачи данных, где квантовое состояние передается по цепочке без потерь, подобно падающим костяшкам домино. Разберёмся, зачем нужны такие летающие кубиты, как они работают и какие перспективы открывают – опираясь на современные исследования и примеры в оптике и спиновых системах.
Почему квантовым компьютерам нужны «летающие» кубиты?
Современные квантовые процессоры сталкиваются с проблемой передачи квантового состояния между кубитами. Кубиты – чрезвычайно чувствительные системы, их квантовое состояние легко подвержено декогеренции под действием внешних помех. Для обмена данными между разными частями квантового компьютера сегодня обычно используют стационарные каналы – например, микроволновые сверхпроводниковые резонаторы в случае сверхпроводящих кубитов. Однако такие резонаторы занимают десятки–сотни µm (сотни микрометров и выше) и при масштабировании системы начинают мешать друг другу, вызывая перекрёстные помехи и искажения информации. Это делает сложные квантовые схемы нестабильными и плохо масштабируемыми.
Летающие кубиты предлагают альтернативу: вместо передачи квантового состояния по проводу – переносить саму волновую функцию через пространство. Известный пример «летающего» кубита – фотон. В квантовых сетях принято разделять стационарные кубиты (например, атомы, ионы или сверхпроводящие контуры, которые хранят информацию на месте) и транспортные кубиты, переносящие информацию между узлами. Чаще всего роль транспортных кубитов играют именно фотоны, поскольку они прекрасно переносят квантовую информацию на большие расстояния почти без потерь – «фотоны оптимальны для дальнемагистральной передачи». В таком подходе состояние материального кубита (например, спин электрона) переписывается на фотон через квантовую запутанность, этот фотон передается к другому узлу и там обратно восстанавливается в стационарный кубит, посредством того же запутывания -- таким образом передается квантовое состояние без существенной декогеренции. Подобные схемы уже реализуются для квантовой связи и распределения запутанности между удаленными системами (на расстоянии от десятков метров до сотен километров, чаще в рамках одной лаборатории).
А что если перенести идею внутрь квантового компьютера? Концепция квантового конвейера предполагает, что кубиты могут перемещаться или пересылаться последовательно внутри вычислителя, вместо того чтобы быть жёстко прикреплёнными к одному месту. Такой «конвейер» позволил бы построить квантовые схемы, где операции выполняются над потоками кубитов. Это похоже на заводской конвейер, только на квантовом уровне: данные поступают, обрабатываются и передаются дальше, не останавливаясь. Вопрос в том, реализуемо ли это технически, особенно для популярных сегодня платформ вроде сверхпроводников или полупроводников. Российская команда как раз предложила решение для сверхпроводниковых кубитов.
Магнитно управляемые кубиты: новый подход российских учёных
Недавно исследователи из Нижнего Новгорода и Москвы продемонстрировали концепцию интерфейса, где сверхпроводящие кубиты могут переключаться между двумя режимами: стационарным (хранение и локальная обработка) и «летающим» (передача данных вдоль цепочки). Ключевым элементом системы стали адиабатические квантовые параметроны – миниатюрные сверхпроводящие ячейки, через которые идёт ток под воздействием внешнего магнитного поля. При охлаждении до сверхнизких температур в таком элементе может устойчиво циркулировать ток: по часовой стрелке (условное состояние «0») или против часовой («1»). Более того, ток может находиться в квантовой суперпозиции двух направлений сразу – именно в таком виде параметрон служит кубитом и способен долго хранить информацию без потерь когерентности.
Как заставить кубит «летать»? Авторы решения научились аккуратно выводить параметрон из режима постоянного тока в динамический режим. Вместо стабильного тока возникает бегущая волна переключений: соседние элементы цепочки по очереди меняют своё состояние, подхватывая квантовую информацию друг у друга. Представьте цепочку из многих кубитов-параметронов: если первому задать импульс (изменив магнитное поле), он переключится из «0» в «1» и этим изменением спровоцирует переключение второго, второй – третьего и т.д. Получается волна, прокатывающаяся по системе, где каждое переключение «копирует» квантовое состояние на следующий узел. Именно поэтому это сравнивают с домино: падение первой костяшки вызывает последовательное падение всех остальных. В результате квантовый бит как бы перемещается вдоль цепочки – фактически мы получили потоковый перенос информации без проводов и резонаторов.
Важно, что при правильно подобранных параметрах эта волна не рассеивается: импульс сохраняет форму и энергию на всём пути, поэтому перенос информации устойчив к шумам. В разработанной модели один и тот же физический механизм – циркуляция сверхпроводящего тока под действием поля – отвечает и за хранение, и за передачу квантового состояния. Переключение между режимами достигается точными импульсами магнитного поля. То есть, достаточно «подать команду» внешним магнитным полем – и кубит из ячейки памяти превращается в бегающий сигнал, или останавливается обратно. Такой подход резко упрощает архитектуру: не нужны отдельные громоздкие резонаторы, вся логика заложена в сами кубиты. Параметроны имеют размеры десятки микрометров, значительно меньше резонаторов (сотни микрометров и более). Это означает, что квантовый интерфейс можно сделать компактным и энергоэффективным. По оценкам авторов, их схема позволит удешевить и упростить масштабирование квантовых вычислительных систем, прокладывая дорогу к компактным квантовым процессорам.
Насколько это реализовано на практике? Пока речь идёт о модельном эксперименте (компьютерной симуляции) на основе уравнений Джозефсона. Тем не менее, результаты обнадёживают: расчёты показывают возможность операций с очень высокой точностью (верность > 99,99%, согласно симуляции) за счёт оптимизации управления потоками (используются эффекты типа переходов Ландау–Зенера). Иными словами, в теории «квантовый конвейер» на сверхпроводниках может работать практически безошибочно. Теперь дело за экспериментальной реализацией таких параметронных цепочек и отработкой магнитного управления в реальных чипах.
Квантовый конвейер в действии: аналогии и примеры
Идея передавать квантовое состояние движением носителя не нова – в разных платформах уже существуют аналоги летающих кубитов. Прежде всего, как было отмечено, это фотонные кубиты в оптике. Каждый фотон сам по себе является квантовым битом, который может нести суперпозицию поляризаций или фаз. Фотонные «летающие» кубиты активно применяются для соединения удалённых узлов квантовых сетей и распределения запутанных состояний. Например, не так давно физики смогли надёжно запутывать стационарные атомные кубиты с летящими фотонами «по нажатию кнопки» – это шаг к созданию квантового интернета. В лабораториях реализуют и обмен информацией между твёрдотельными кубитами через фотонные посредники: так, группа из Констанца (Германия) предложила схему стабильного обмена данными, где квантовое состояние спина электрона записывается на фотон и обратно восстанавливается (маппируется) в другом кубите.
В спиновых системах тоже появляются «конвейерные» подходы. Ученые стремятся научиться перемещать носители заряда или спина, сохраняя их квантовое состояние. Один из впечатляющих результатов – шаттлинг электрона в массиве квантовых точек. В недавнем эксперименте спиновый кубит (электрон в германиевой квантовой точке) перемещали через десятки последовательно расположенных точек, при этом квантовое состояние выживало на всём пути. Исследователям удалось перенести суперпозицию спина на расстояние порядка 9 микрометров без потери когерентности, а с помощью динамического развязывания (dynamic decoupling) – до 49 мкм. Базисное же состояние «0» или «1» они передавали даже на 300 мкм, что по меркам наномира значительное расстояние. Это доказывает принципиальную возможность создавать спиновые конвейеры: в кремниевых и германиевых чипах прокладывают цепочки квантовых точек, по которым электрон буквально перешагивает из одной ловушки в другую, перенося информацию. Подобный Spin-bus-подход (линейная шина спиновых кубитов) разрабатывается для масштабирования квантовых процессоров на основе кремния.
Другой пример – ионные ловушки. В некоторых архитектурах квантовых вычислений на ионах применяется методика разделения и перемещения ионов по сегментированному трапу. Эта архитектура известна как QCCD (quantum charge-coupled device) – по аналогии с ПЗС-матрицей в камерах, где заряд перемещается по ячейкам. Ионы-кубиты можно физически перевозить в разные зоны чипа для выполнения нужных логических операций, а затем возвращать на место хранения. Такие перемещения уже отработаны экспериментально и лежат в основе многомодульных ионных квантовых компьютеров. Проще говоря, ион тоже может «слетать» выполнить двухкубитовый гейт с соседом и вернуться, оставаясь при этом в запутанном состоянии. Это ещё один вид квантового конвейера, обеспечивающий гибкую связь между кубитами внутри процессора.
Даже в магнетиках появляются летящие аналоги: магноны (квазичастицы спиновых волн) могут переносить квантовую информацию через ферромагнитный материал. Совсем недавно было показано, что распространяющаяся магнонная волна способна контролировать состояние спина отдельного кубита NV-центра в алмазе. То есть, спиновая система в кристалле реагирует на проходящий мимо «пакет» магнона, реализуя управление кубитом без локальных проводов. Такие эксперименты находятся на ранней стадии, но указывают, что и в твердотельной спинтронике возможны летящие возбуждения для квантового управления. В кремниевых же структурах реализована и более прямая аналогия: наносхемы с «летающими» кремниевыми кубитами успешно продемонстрированы на масштабах отдельных устройств.
Все эти примеры подчёркивают: мобильные носители квантового состояния реальны. Фотон, электрон, ион или даже квазичастица способны играть роль конвейера для квантовой информации. Но у такого подхода есть и серьёзные технические вызовы.
Вызовы: когерентность, управление, масштабирование
Основная проблема при перемещении кубитов – сохранение когерентности (т.е. квантовых свойств) в пути. Пока кубит «летит» или проходит через цепочку, он остаётся подвержен шумам окружающей среды. Если перенос занимает слишком много времени или дорожка слишком «шумная», суперпозиция может разрушиться до того, как достигнет цели. Например, в эксперименте с шаттлингом электрона именно поддержание когерентности суперпозиции ограничило расстояние ~10 микрометрами (сотни микрометров удавалось пройти только если держать электрон в определённом базовом состоянии). Ионные кубиты при перемещении тоже могут приобретать фазовые сдвиги или возбуждаться из-за колебаний в ловушке, поэтому требуются тщательно продуманные траектории и профили электрических полей, чтобы транспорт был адиабатическим и не вносил ошибок. Управление летающими кубитами – задача не тривиальная: нужно синхронизировать их движение и при необходимости взаимодействие. В фотонных схемах это требует совершенных источников одиночных фотонов и оптики, в спиновых – прецизионного контроля напряжений на воротах, в сверхпроводниковых – точно рассчитанных импульсов магнитного потока.
Российский подход с параметронами отчасти снимает эти сложности, так как кубиты не перемещаются физически в пространстве – перемещается лишь волна переключения. Фактически, мы имеем дело с цепочкой неподвижных сверхпроводящих элементов, где взаимодействие соседей запрограммировано конструкцией (индуктивной связью). Это похоже на волновой пакет или солитон, бегущий по линии передачи. В этом смысле проблемой становится не механическое смещение кубита, а потери энергии волны и влияние неидеальности устройства (например, разброс параметров между элементами цепочки). Требуется, чтобы импульс проходил сквозь десятки и сотни узлов без искажений. Если хотя бы один элемент сработает неточно, картина «домино» нарушится: волна затухнет или раздвоится, и информация потеряется. Поэтому реализация квантового конвейера потребует исключительной однородности и контроля производства квантовых цепочек. Тем не менее, исследования показывают, что при адиабатическом (достаточно плавном и управляемом) переключении можно достичь практически нулевых потерь информации. Сверхпроводящие схемы славятся высокими добротностями и низкими потерями при низких температурах, что даёт надежду на поддержание когерентности бегущего тока на значительные расстояния.
Второй вызов – управление и адресация. В конвейерной модели трудно избирательно воздействовать на один кубит, не затронув соседей, ведь они связаны общей волной. Однако решения здесь тоже есть. Например, в описанном параметронном интерфейсе разработчики могут выбирать, когда запускать волну, а когда держать ячейки в покое – с помощью внешнего магнитного поля. То есть, режим «полёт» включается только при необходимости передачи, а по окончании все элементы можно вернуть в стационарное состояние для локальных вычислений. В других системах используются хитрости вроде различных частот резонанса для разных кубитов, разделения линий задержки или шлюзовых зон, где летающие кубиты встречаются только при нужной операции. В ионных конвейерах применяют целые «развязочные перекрёстки» и буферные зоны, чтобы разводить ионы по разным дорожкам, подобно тому как поезда сортируют на станции. Таким образом, масштабируемость квантового конвейера требует продуманной архитектуры, чтобы увеличение числа кубитов не приводило к хаосу во взаимодействиях.
Перспективы: от квантовых связей к нейроморфным системам
Несмотря на сложности, идея летающих кубитов открывает захватывающие возможности. Магнитно управляемый квантовый конвейер на сверхпроводниках, как подчёркивают авторы российской разработки, способен ускорить переход к практичным квантовым устройствам. Упрощение связей между кубитами означает, что можно будет строить более компактные и сложные схемы без нагромождения управляющей электроники. Потенциально это снижает требования к криогенной инфраструктуре и себестоимость квантового вычислителя. Интересно, что подобные системы могут найти применение не только в узкоспециализированных вычислениях, но и в гибридных технологиях. Так, группа Марины Бастраковой (ННГУ) указывает, что их результаты полезны при создании квантово-нейроморфных систем – своеобразных гибридов нейросетей и квантовых цепей. В таких системах летающие кубиты могут выполнять роль сигнальных импульсов, циркулирующих в квантовой нейронной сети, объединяя преимущества нейроморфной архитектуры (способной к обучению и распознаванию образов) и квантовых вычислений (способных к экспоненциальному росту производительности на некоторых задачах).
Концепция квантового конвейера вдохновляет тем, что приближает квантовые устройства к более гибкому и масштабируемому дизайну, наподобие классических компьютеров с шиной данных. Пока что каждый лишний кубит – это инженерный подвиг, и многое упирается в сложности соединения компонентов. Летающие кубиты предлагают элегантный путь: пусть квантовые состояния путешествуют сами. Это направление активно развивается: от оптических коммуникаторов до электронных «ковровых дорожек» для спинов. Уже сейчас продемонстрированы ключевые элементы таких систем – от передачи спина на чипе до конвейеров из ионов. Конечно, предстоит решить немало задач, но техническая реализуемость идеи подтверждается шаг за шагом.
Вывод: можно не фиксировать все кубиты на месте – часть из них вполне может летать. Квантовые вычисления в будущем, возможно, станут более потоковыми: одни кубиты хранят данные, другие бегут с сообщением к соседу, третьи связывают удалённые узлы. Подобно тому, как в классических компьютерах появилась конвейеризация команд, в квантовых может появиться конвейеризация кубитов. И пусть это требует ювелирного контроля магнитных полей, лазеров или потенциалов – первые успехи на этом пути уже есть. Летающие кубиты из научной новости – не фантастика, а реальный шаг к более масштабным и быстрым квантовым машинам, в которых информация течёт свободно, но остаётся квантовой. Это воодушевляет и раскрывает новый пласт возможностей на пути к полноценным квантовым технологиям будущего.
Литература и ссылки
Российский научный фонд. Летающие кубиты на основе адиабатических параметронов — пресс-релиз RSF / ТАСС, 2025.
“Photons make qubits fly”. Phys.org, 12 марта 2024 г.
van der Sar J. и др. «Long-distance coherent shuttling of a spin qubit in a germanium quantum-dot array». Nature Communications 15, 5716 (2024).
Monroe C., Kim J. «The Quantum Charge-Coupled Device Architecture» — технический отчёт IonQ, 2021.
Xu P. и др. «Flying spin qubits and magnons: coherent control over long distances». Communications Physics 5, 315 (2022).