Нобелевская премия прошлого года по физике стала свидетельством фундаментального интереса научного сообщества к квантовой запутанности и так называемой «второй квантовой революции» — новой эры, в которую мы сможем управлять странным миром квантовой механики. Квантовые компьютеры стали чуть более надежными и эффективными, а квантовая коммуникация била рекорды дальности и защищенности. Дело дошло до того, что астрофизики доказали возможность квантовой связи с обитателями других звездных систем. Правда, только в теории.

Квантовые компьютеры

Хотя в минувшем году квантовые компьютеры не демонстрировали своего превосходства над классическими так наглядно, как в прошлом и позапрошлом, постепенно эта технология становилась все более надежной и практичной. Так, физики из Принстона достигли беспрецедентного уровня точности — почти 100% — при использовании двухкубитного квантового устройства на основе кремния. Этот показатель для вентиля в полупроводнике соответствует лучшим результатам среди конкурирующих технологий. Он отражает способность квантового бита выполнять операции без ошибок и является ключевой характеристикой в разработке эффективного квантового компьютера.

Интересного результата добились российские ученые. Они предложили оптимальную схему для реализации одной из ключевых операций, используемой практически во всех квантовых алгоритмах — гейта Тоффоли. Однако вместо кубитов физики применили разновидность многоуровневых квантовых систем (кудитов) — кутриты. В отличие от кубитов, кутриты могут находиться в 3 состояниях одновременно, что позволяет повысить производительность вычислений и качество квантовых операций.

Новый подход, предложенный специалистами из Австралии и Германии, сделает квантовые компьютеры дешевле и надежнее. Он повторяет методы создания традиционных вычислительных устройств и позволяет точно управлять процессом создания квантовым чипов, задавать квантовую логику между большими массивами отдельных атомов, сохраняя высокую точность на протяжении всего процесса. Как это происходит при производстве классических полупроводников.

Проблему относительно низкой вычислительной мощности современных квантовых машин решили австрийские физики. Они разработали новую архитектуру квантовых компьютеров, которая обладает высоким параллелизмом. Это позволяет, к примеру, выполнять квантовые преобразования Фурье — фундаментальный элемент множества квантовых алгоритмов — существенно быстрее. И ускоряет коррекцию ошибок. Такой подход позволит в будущем создать универсальные квантовые компьютеры нового поколения.

Квантовая коммуникация

Полностью раскрыть свой потенциал квантовые компьютеры смогут, если объединятся в сеть. Хотя природа квантовых данных делает передачу информации крайне сложным делом, ее можно не пересылать, а телепортировать между узлами благодаря феномену квантовой запутанности. Две частицы могут настолько переплестись друг с другом, что невозможно будет описать одну без другой, и все изменения, происходящие с одной частицей, тотчас же повлияют на другую, пусть даже расположенную очень далеко.

Нидерландские ученые совершили в 2022 году прорыв к квантовому интернету, впервые телепортировав информацию по рудиментарной сети между несвязанными узлами. Точность телепортации достигла значительной величины — 71%. Этот прорыв оказался возможен благодаря увеличению квантовой памяти и улучшению качества связи между тремя узлами сети.

Важный шаг к реализации квантового интернета сделали немецкие физики. В июле они установили рекорд дальности квантовой запутанности между двумя атомами. Они запутали два атома рубидия, пойманных в оптическую ловушку в двух разных зданиях студгородка. Длина разделяющего атомы волоконно-оптического кабеля составила 33 км.

Китайские ученые добились квантовой запутанности в прошлом году на расстоянии всего 12,5 км. С точки зрения расстояния далеко это не рекорд, но условия эксперимента были намного ближе к реальным: узлы были расположены в городской черте, а не в лаборатории. Кроме того, они осуществили не перенос запутанных фотонов, как многие команды до них, а запутанность двух двух разнесенных квантовых запоминающих устройств. А это уже серьезное достижение.

Еще один рекорд квантовой коммуникации 2022 года принадлежит физикам из КНР. Они протестировали протокол зашифрованной квантовой связи на расстоянии 102,2 км. Испытания показали, что система работает и может передавать информацию — голосовые звонки и текстовые сообщения — на скорости в 0,54 бита в секунду. А в пределах 30 км система работала без задержек.

Воображение специалистов по квантовой коммуникации, впрочем, не ограничивалась пределами Земли. Команда ученых из Шотландии, к примеру, задалась вопросом, сможет ли связаться с нами внеземная цивилизация, причем не прилетая в Солнечную систему, а прямо от своей звезды где-нибудь в Млечном Пути? И установили — чисто теоретически — что межзвездное пространство пригодно для того, чтобы фотоны рентгеновского излучения двигались сотни световых лет, не испытывая декогеренции — включая гравитационные помехи от астрономических объектов. Другими словами, квантовая коммуникация в галактике возможна.