Czip kwantowy wielkości małego paznokcia zmienia sposób, w jaki myślimy o przechowywaniu danych. Nie zużywa prądu. Nie wykorzystuje nawet pól magnetycznych. Wewnątrz urządzenia opracowanego przez fizyk Ivy Zhu i jej zespół z ETH Zurich informacja istnieje w postaci wibracji.
Wyobraź sobie strunę do gitary.
Ściśnij go, a otrzymasz notatkę. Zrób to samo w tym mikroskopijnym świecie, a otrzymasz kubit. Jednak te dźwięki są niesłyszalne. Są to wibracje o bardzo wysokiej częstotliwości, które występują wewnątrz maleńkich rezonatorów mechanicznych. Pakiety energii przenoszące dane nazywane są fononami. Sam chip ma wymiary zaledwie 7,5 na 2,5 na 1 milimetr.
Brzmi poetycko, ale jest to rozwiązanie czysto funkcjonalne. Cel? Rozwiąż problem, który od lat nęka sprzęt do obliczeń kwantowych: pamięć.
Pożyczenie klasycznego modelu procesora i pamięci RAM
Większość nowoczesnych systemów kwantowych wygląda jak bałagan. Łączą przetwarzanie i przechowywanie danych w jednej jednostce sprzętowej. Dodajesz więcej kubitów? Wymagana większa ilość miejsca. Czy dodajesz więcej pamięci? System jest rozdęty. Skalowanie takich projektów jest trudne.
Zespół Zhu zapożyczył swoje podejście z klasycznego informatyki. Jak działa zwykły komputer? Procesor (CPU) przetwarza liczby, a pamięć o dostępie swobodnym (RAM) tymczasowo przechowuje dane. Są oddzieleni. Procesor może pobrać potrzebne dane, wykonać obliczenia i zwrócić wynik. To skuteczne.
Nowa architektura kwantowa imituje tę zasadę. Nadprzewodzący kubit pełni rolę mózgu (procesora), a rezonatory mechaniczne pełnią rolę pamięci RAM. Ale jest niuans. W klasycznej pamięci RAM dane są przechowywane przy użyciu pól elektromagnetycznych. Właśnie tutaj?
Dane są przechowywane mechanicznie.
„W naszej kwantowej pamięci roboczej” – wyjaśnia Zhu – „informacje nie są przechowywane w sposób elektromagnetyczny… ale w formie wibracji mechanicznych”.
To oddzielenie jest krytyczne. Pozwala procesorowi zachować szybkość i nieliniowość, podczas gdy pamięć spokojnie utrzymuje delikatny stan kwantowy tak długo, jak to możliwe.
Jak faktycznie działa oscylacyjna pamięć kwantowa
Bity klasyczne są proste: zero lub jeden. Bity kwantowe (kubity) są złożone. Mogą znajdować się w superpozycji obu stanów jednocześnie. Mogą być mylące. Ta dziwność sprawia, że komputery kwantowe są potencjalnie szybsze w przypadku niektórych zadań, takich jak kryptografia lub symulacja materiałów. Ale ta sama dziwność czyni je bardzo delikatnymi. Jeśli będą przechowywane zbyt długo w nieodpowiednim środowisku, dane ulegną dekoherencji. Znikają.
System ETH Zurich rozwiązuje ten problem, wybierając określone tryby drgań w rezonatorach jako ogniwach magazynujących. Chcesz odczytać dane? Nadprzewodzący kubit jest połączony z rezonatorem. Dostosowuje stan kwantowy określonego trybu, odczytuje dane, a następnie zwraca je z powrotem.
Dlaczego jest to konieczne?
Kubity nadprzewodzące doskonale nadają się do bramek logicznych. Są szybkie. Nie są jednak zbyt dobre w przechowywaniu danych przez długi czas bez zakłóceń zewnętrznych. Rezonatory mechaniczne? Są małe. Mogą obsługiwać wiele różnych trybów wibracji. Możesz spakować wiele „notatek” w jeden fizyczny chip. To jest ciasne przechowywanie. W przeciwieństwie do rezonatorów elektromagnetycznych, które zajmują cenną przestrzeń, ich mechaniczne odpowiedniki są maleńkie.
Naukowcy nie tylko teoretyzowali. Udowodnili, że to działa. Połączyli pamięć mechaniczną z kubitem nadprzewodzącym i stworzyli programowalną architekturę. To nie była tylko pamięć pasywna. System mógłby wykonywać rzeczywiste algorytmy kwantowe.
Dowód koncepcji: transformata Fouriera i wyszukiwanie okresu
Aby wykazać, że nie jest to tylko sztuczka laboratoryjna, zespół przeprowadził dwa rygorystyczne testy: kwantową transformatę Fouriera (QFT) i kwantowe przeszukiwanie okresu.
QFT jest algorytmem podstawowym. Ujawnia ukryte wzorce w danych. Wyszukiwarka okresów wykorzystuje QFT do wykrywania powtarzających się struktur matematycznych. To właśnie ten rodzaj matematyki leży u podstaw algorytmu Shora – tego samego, który jest w stanie złamać współczesne szyfrowanie.
Do wykonania tych zadań wymagana była precyzja. System powinien posiadać:
* Przygotowywanie stanów kwantowych.
* Zapisz je w modach mechanicznych.
* Połącz je bez niszczenia spójności.
* Bezproblemowo przenoś dane pomiędzy procesorem a pamięcią.
Zrobili to. Układ wykonywał kontrolowane operacje fazowe na dostępnych komórkach pamięci. To potwierdza zasadę działania. Pokazuje, że procesor może zarządzać kompaktową pamięcią mechaniczną i używać jej do wykonywania kodu.
„Kwantowa transformata Fouriera to podstawowa procedura obliczeniowa wymagana w przypadku wielu [algorytmów]” – współautor Igor Kladarić.
Droga do skalowalności
Bądźmy szczerzy. Układ ten nie jest jeszcze lepszy od superkomputerów. Nie teraz. To jest demonstracja zasady.
Następną przeszkodą jest skalowanie. Aby system był użyteczny, potrzeba więcej pamięci. Potrzebne są niższe poziomy błędów. Potrzebujemy tysięcy, a może milionów takich rezonatorów działających synchronicznie. Czy rezonatory mechaniczne zachowają swoje zalety, gdy przejdziemy od jednego chipa do tysiąca?
To jest pytanie otwarte.
„Interakcja między procesorem kwantowym a pamięcią kwantową… ma kluczowe znaczenie, aby komputery kwantowe stały się niezawodnym sposobem wykonywania obliczeń”. — Evie Zhu
W tej chwili mamy chip, który „myśli” za pomocą wibracji. To kolejny sposób zorganizowania maszyny kwantowej. Nie wygląda jak czarna skrzynka, ale raczej jak tradycyjny komputer z wyspecjalizowaną jednostką pamięci.
Muzyka nadal milczy. Ale dane już są odtwarzane.
Odniesienie: „Obliczenia kwantowe oparte na rezonatorze mechanicznym”, Science, 28 maja 2026 r.
