Российский прорыв мирового уровня – создана новая архитектура кристалла квантовой памяти с управляемыми элементами связи
Учёные кластера «Квантум Парк» МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» разработали и испытали прототип устройства управляемой квантовой памяти – фактически «квантовой оперативной памяти» (quantum RAM) для будущих квантовых компьютеров.
Микроволновая квантовая память представляет собой критически важный компонент для квантовых радаров и ресурсоэффективных подходов к квантовой коррекции ошибок. Сверхпроводящие микроволновые резонаторы обеспечивают высокоэффективное хранение, длительное время когерентности, чтение по запросу и даже проектирование импульсов памяти, но преодоление потерь, вызванных конструкцией и материалами, для реализации на кристалле по-прежнему остается сложной задачей.
В отличие от зарубежных аналогов российское решение не требует сложных дополнительных систем управления, а значит, не вносит помех в работу процессора и не теряет фотоны.
Будущее квантовой памяти в руках российских учёных
Учёные «Квантум Парка» МГТУ имени Баумана и ФГУП ВНИИА имени Духова разработали устройство управляемой квантовой памяти, которое сохраняет форму входного микроволнового импульса и обеспечивает доступ к нему по требованию. Эффективность разработки превышает 57,5%.
Для реализации доступа по требованию была создана новая архитектура кристалла квантовой памяти с управляемыми элементами связи. В основе лежит активный ключ. Такая архитектура отличается масштабируемостью и возможностью интеграции на чипе со сверхпроводниковыми кубитами. Это позволит создавать распределённые гибридные системы обработки информации с квантовыми сопроцессорами.
Квантовые вычисления и квантовый интернет требуют квантовой памяти в качестве важнейшего строительного блока будущей платформы обработки квантовой информации. Квантовая электродинамика сверхпроводящих цепей (cQED) является одной из ведущих реализаций квантовых компьютеров среднего масштаба.
Разработанное устройство – важнейший компонент будущих квантовых сенсоров для сверхчувствительного детектирования малозаметных объектов и реализации перспективных методов квантовой коррекции ошибок. Создание интегральной квантовой памяти для микроволновых фотонов, совместимой с архитектурой сверхпроводниковых кубитов, – стратегическая задача мирового уровня и одновременно сложнейший научный и инженерный вызов.
До настоящего времени все существующие прототипы страдали от низкой эффективности, сложного управления и существенных потерь сигнала, вносимых самими управляющими элементами.
Разработанный российскими учёными чип способен сохранять форму микроволнового фотонного импульса и выдавать его по запросу, что позволяет хранить и обрабатывать квантовую информацию. Ключевыми характеристики разработки являются прежде всего: эффективность хранения – 57,5%, что существенно превышает результаты аналогичных решений; новая архитектура квантовой памяти с управляемым активным «ключом»; возможность интеграции со сверхпроводниковыми кубитами – основной платформой квантовых компьютеров.
Принцип работы
Частоты входного импульса расходятся по системе резонаторов и замирают в ожидании. Циклический характер памяти продиктован необходимостью поддерживать фазовые соотношения. Информация удерживается внутри устройства до тех пор, пока по запросу пользователя не высвобождается точная копия входного импульса. Эта копия задержана во времени. Российские учёные научились останавливать, хранить и отпускать микроволновые фотоны по команде.
Сама конструкция требует минимального числа управляющих элементов. Для её работы необходима всего одна дополнительная линия управления. Это упрощает интеграцию устройства и снижает уровень шума. Важнейшей особенностью является отсутствие потерь на этапе хранения. В отличие от других архитектур, активный ключ в выключенном состоянии не вносит дополнительных потерь в систему хранения. Это снимает одно из главных ограничений эффективности устройства.
Масштаб разработки
В ходе экспериментов квантовая память продемонстрировала цикл хранения 1,51 микросекунды. Это соответствует эффективной частоте памяти в 662 килогерца, что на данный момент является лучшим показателем в мире. Новая разработка имеет все шансы стать квантовой оперативкой, которой не хватало для ускорения развития квантовых вычислений и сенсорики.
Созданный российскими учёными прототип – настоящий прорыв в мировой фундаментальной науке и deep-tech разработках, относящимся к стратегическому направлению квантовых технологий. Уже сейчас можно сказать, что российская фундаментальная наука этим открытием внесла свой огромный вклад в развитие архитектур квантовой памяти – одной из самых сложных задач квантовой инженерии.
Области применения технологии
Прежде всего, это квантовые компьютеры, где квантовая память позволит реализовывать коррекцию ошибок, повысить стабильность логических кубитов, станет возможным объединять несколько квантовых процессоров в распределенные вычислительные системы.
Это квантовые сенсоры для создания сверхчувствительных систем обнаружения: малозаметных объектов, космических тел, слабых электромагнитных сигналов. Разработка может быть использована в квантовых радиолокационных системах – в радарах нового поколения, включая обнаружение малозаметных беспилотников. А со временем это появление сверхточных сенсоров, сверхмощных медицинских диагностических систем и сверхбыстрых вычислений.
Создание квантовой оперативной памяти – ключевой шаг для развития полноценных квантовых компьютеров. Без надежной памяти невозможно масштабировать квантовые вычисления до уровня, необходимого для решения реальных практических задач. Преодоление этого барьера открывает дорогу от лабораторных экспериментов к созданию мощных универсальных квантовых систем.
Российская разработка демонстрирует рекордную эффективность среди аналогичных решений, что делает её заметным результатом на мировом научном уровне. Для России это достижение становится вопросом технологического суверенитета и подтверждением статуса одной из ведущих квантовых держав, укрепляя позиции российской научной школы на международной арене.
Для всего мира успех российских ученых означает ускорение глобального прогресса: чем эффективнее отдельные компоненты квантовых систем, тем ближе человечество к эре сверхбыстрых вычислений.
