Российские ученые разработали подход, который позволяет эффективнее передавать сигналы между квантовыми устройствами и традиционной электроникой. Подобные технологии востребованы при создании защищенных каналов связи и систем квантового шифрования, перспективных космических аппаратов, высокоточных навигационных комплексов, медицинского диагностического оборудования и сверхчувствительных датчиков. В дальнейшем разработка может найти применение в банковском секторе для защиты данных, а также в телекоммуникациях, промышленности и научных суперкомпьютерных системах.
На пути к гибридным вычислениям
Квантовые компьютеры сегодня считаются одной из наиболее перспективных технологий будущего, однако функционировать без традиционных вычислительных систем они не могут. Для управления квантовыми процессорами необходима обычная электроника, которая передает команды, принимает результаты вычислений и обрабатывает поступающие данные. Основная сложность заключается в условиях работы таких систем — они функционируют при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю, поэтому даже минимальные потери сигнала или внешние помехи способны негативно сказаться на точности и стабильности их работы.
Ученые Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ) исследовали процессы, происходящие внутри сверхпроводящих элементов, которые используются для передачи сигналов в подобных установках. В ходе экспериментов они определили параметры, позволяющие сделать такую передачу более стабильной и надежной.
— Мы впервые определили критический пространственный масштаб, на котором происходит полное превращение нормального тока в сверхток. Это позволит инженерам точнее проектировать сверхпроводящие элементы и минимизировать потери сигнала при создании криогенной электроники нового поколения, — рассказал научный сотрудник МТУСИ Сергей Бакурский.
Разработка может найти применение в самых разных сферах — от квантовых компьютеров и защищенных систем связи до медицинской техники, сверхточной навигации и высокочувствительных датчиков, добавил проректор по научной работе МТУСИ Николай Кленов.
— Наибольшие перспективы мы видим в телекоммуникациях и вычислительной технике. В телекоме это может быть использовано в системах считывания с матриц квантовых детекторов для точного частотного разделения сигналов. Что касается суперкомпьютеров, то здесь наши решения открывают путь к созданию принципиально новых, очень быстрых и энергоэффективных вычислительных модулей, в том числе и адаптированных на уровне архитектуры под нейросетевые вычисления, — добавил он.
По его словам, результаты исследования помогут совершенствовать интерфейсы между квантовой и классической электроникой.
Польза для индустрии
Разработка МТУСИ может иметь значение не только для современных квантовых технологий, но и для будущих поколений вычислительных систем, считает директор Центра спортивного программирования, алгоритмической робототехники, кибербезопасности и киберспорта Уфимского университета науки и технологий Святослав Пегов. По его словам, подобные исследования помогают решать одну из ключевых задач — получение и интерпретацию результатов работы квантового процессора.
— Особую ценность представляют технологии, которые обеспечивают взаимодействие между квантовой и классической частями вычислительной системы. Именно на этой границе происходит измерение результатов вычислений. Чем точнее и надежнее работает такой интерфейс, тем эффективнее может функционировать вся система в целом, — отметил эксперт.
Он добавил, что квантовые вычисления способны серьезно изменить целый ряд отраслей. В частности, они могут ускорить создание новых лекарств благодаря более точному моделированию структуры белков и сложных химических процессов. Вместе с тем широкое распространение квантовых компьютеров потребует пересмотра подходов к защите информации, поскольку в перспективе такие системы смогут взламывать многие современные криптографические алгоритмы.
Эксперт Национальной технологической инициативы по новым материалам и технологиям Евгений Вишневский отметил, что работа МТУСИ закрывает важный пробел в проектировании сверхпроводящей электроники для квантовых устройств.
— Исследователи получили практический ориентир для разработчиков сверхпроводящих схем и квантовых сенсоров. Они определили размеры элементов, при которых электрический ток полностью переходит в сверхпроводящее состояние. Это важно, поскольку остаточное сопротивление приводит к появлению лишнего тепла и помех, которые могут ухудшать работу квантовых устройств. Полученные результаты помогут создавать более стабильные интерфейсы между классической и квантовой электроникой, — пояснил специалист.
По словам кандидата физических наук Андрея Круглова, развитие сверхпроводящей электроники остается одним из ключевых направлений мировой квантовой гонки.
— Понимание фундаментальных ограничений сверхпроводящих элементов дает инженерам важные ориентиры для проектирования будущих квантово-классических систем. Такие результаты редко становятся громкими новостями, но именно из них складывается реальная технологическая база отрасли, — отметил Андрей Круглов.
IT-эксперт Сергей Поморцев считает, что не стоит переоценивать непосредственное влияние исследования на развитие квантовых компьютеров.
— Речь идет о важном результате, однако между определением физических параметров отдельного элемента и созданием полноценной промышленной технологии лежит достаточно длинный путь. Для практического внедрения потребуется подтвердить воспроизводимость эффекта в различных архитектурах устройств и показать, что новые знания действительно позволяют повысить характеристики конечных систем, — сказал специалист.
Он уточнил, что говорить о скором появлении принципиально новых квантовых компьютеров на основании научных изысканий МТУСИ преждевременно.