Квантовые компьютеры обычно ассоциируются с лабораториями, где температура, вибрации, освещение и другие параметры окружающей среды контролируются с исключительной точностью. Теперь ученым удалось отправить такую систему на орбиту и провести на ней настоящие квантовые операции.
Исследователи Венского университета под руководством физика Филиппа Вальтера (Philip Walther) впервые продемонстрировали работу программируемого фотонного квантового процессора непосредственно в космосе. Аппарат был запущен на ракете Falcon 9 еще в июне 2025 года, а затем в течение нескольких месяцев проходил испытания на низкой околоземной орбите. Результаты эксперимента опубликованы в виде препринта на сервере arXiv и пока не прошли независимое рецензирование.
Это пока не полноценный космический квантовый компьютер, способный обрабатывать сложные задачи или заменять обычные вычислительные системы спутника. Однако эксперимент впервые показал, что миниатюрная фотонная квантовая схема способна пережить запуск, работать на орбите и выполнять базовые квантовые операции.
Зачем вообще отправлять квантовый компьютер в космос?
У спутников есть одна довольно прозаичная проблема: они способны собрать гораздо больше данных, чем могут передать на Землю.
Современные аппараты постоянно фотографируют поверхность планеты, измеряют характеристики атмосферы, отслеживают погодные явления и собирают другую информацию. Но значительную часть этих данных приходится отправлять на наземные станции, где их уже обрабатывают мощные компьютеры.
Пропускная способность радиоканалов и доступность наземных станций ограничены. Поэтому чем больше данных собирает спутник, тем заметнее становится своеобразная «пробка» между орбитой и Землей. Один из возможных способов решить проблему — обрабатывать хотя бы часть информации непосредственно на борту.
Квантовые вычисления в перспективе могут пригодиться для отдельных классов задач, где обычным компьютерам требуется очень много вычислительных ресурсов. Но прежде чем обсуждать практическое применение, нужно было ответить на более фундаментальный вопрос: может ли квантовый процессор вообще нормально работать за пределами лаборатории?
Именно это и проверили австрийские исследователи.
Почему квантовый процессор сложно отправить на орбиту
Кубиты — квантовые аналоги классических битов — чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям. В лаборатории ученые стараются изолировать квантовые системы от вибраций, температурных колебаний, электромагнитных помех и других факторов, способных разрушить хрупкое квантовое состояние.
Космический аппарат предлагает почти противоположные условия.
Сначала оборудование необходимо пережить запуск ракеты: мощные вибрации и ускорения испытывают практически каждый компонент. Затем начинается жизнь в вакууме, под воздействием радиации и резких изменений температуры. А еще спутник периодически оказывается на прямом солнечном свету, а затем погружается в тень Земли.
Поэтому ученые усилили конструкцию процессора титановыми опорными пластинами, а хрупкие оптические волокна закрепили с помощью эпоксидного материала. Но даже после тщательных наземных испытаний полностью избежать повреждений не удалось.
Половина детекторов не пережила запуск
Особенно показательным оказался судьба фотонных детекторов.
В составе системы находились шесть кремниевых лавинных фотодиодов для регистрации одиночных фотонов. После вывода аппарата на орбиту работоспособными остались только три из них.
Но даже исправные детекторы столкнулись с новой проблемой — солнечным светом.
Фотонный процессор должен регистрировать очень слабые сигналы, поэтому интенсивное фоновое излучение от Солнца буквально мешало ему «услышать» нужные фотоны. Решение оказалось достаточно простым: ученые проводили измерения только во время примерно 30-минутных периодов, когда спутник находился в тени Земли.
Казалось бы, после этого можно было спокойно продолжить эксперимент. Но космос приготовил еще одну проблему.
Радиация повредила оборудование
На низкой околоземной орбите аппарат регулярно сталкивается с частицами радиационных поясов Земли. Исследователи заранее предусмотрели эту угрозу и поместили квантовый процессор в алюминиевый корпус аэрокосмического класса толщиной около сантиметра.
Защита оказалась частично эффективной. Она хорошо экранировала электроны, но не смогла полностью защитить оборудование от протонов. В результате деградация продолжилась уже после выхода на орбиту, в том числе затронув фотонные детекторы.
Однако самая неожиданная проблема возникла с лазером.
Для фиксации лазера внутри системы использовали клей, который на Земле казался подходящим. В условиях космического вакуума материал начал деградировать и загрязнил оптические элементы. В результате мощность лазера упала с 20 до всего 4 мВт.
Для обычного электронного устройства такая потеря мощности могла бы означать очевидную неисправность. Для фотонной квантовой системы это особенно критично: когда эксперимент работает с единичными фотонами, качество оптического сигнала имеет огромное значение.
Что удалось доказать
Несмотря на целую цепочку технических проблем, исследователи смогли провести ключевой эксперимент.
Квантовый процессор работает с фотонами — частицами света. Внутри оптической схемы ученые создавали пары фотонов и управляли их состояниями. Одним из важнейших наблюдаемых эффектов стала двухфотонная интерференция — квантовый эффект, при котором поведение двух неразличимых фотонов отличается от того, что ожидалось бы для обычных классических частиц.
На Земле исследователи заранее определили условия, при которых должны наблюдаться нужные эффекты. В частности, они ожидали определенного поведения при температуре кристаллов, генерирующих фотоны, около 32,5 °C.
На орбите результат совпал с наземными экспериментами: при достижении этой температуры система продемонстрировала ожидаемое квантовое поведение.
Таким образом, главное достижение эксперимента состоит не в вычислительной мощности. Ученые доказали, что программируемая фотонная квантовая схема может функционировать непосредственно в условиях космоса, несмотря на радиацию, вакуум, температурные изменения и последствия запуска.
Это еще не «квантовый компьютер для спутников»
Здесь важно не переоценивать результат.
Созданная система пока не способна заменить бортовой компьютер спутника и не продемонстрировала практической обработки больших потоков данных. Это прежде всего технологический эксперимент — доказательство принципиальной работоспособности квантового фотонного процессора на орбите.
Более того, часть оборудования уже деградировала. Из шести детекторов половина перестала работать после запуска, а лазер потерял значительную часть мощности. Для демонстрационного эксперимента это не отменяет главного результата, но показывает, насколько сложнее создать надежную космическую квантовую систему по сравнению с лабораторной.
Следующим этапом станет повышение устойчивости компонентов к радиации, вибрациям и вакууму. Не менее важно разработать оптические системы, способные сохранять стабильность в течение длительной работы.
Куда может привести космическая квантовая электроника
Если подобные процессоры удастся сделать надежнее, у них появится несколько потенциальных направлений применения.
Одно из них — обработка данных непосредственно на спутнике. Вместо передачи огромного массива необработанной информации на Землю аппарат сможет предварительно анализировать данные и отправлять только наиболее важные результаты.
Другое направление связано с квантовыми коммуникациями. Фотонные системы естественным образом подходят для передачи и обработки квантовой информации между космическими аппаратами и наземными станциями. Поэтому компактный квантовый процессор на орбите в будущем может стать частью более крупной квантовой сети.
При этом космический квантовый компьютер не обязательно должен быть мощнее земного. Его потенциальное преимущество может заключаться совсем в другом: он находится непосредственно там, где возникают данные, и может обрабатывать их до отправки на Землю.
Пока это лишь направление исследований. Но эксперимент Венского университета сделал важный первый шаг: квантовые вычисления впервые покинули контролируемую лабораторную среду и продемонстрировали работоспособность непосредственно на орбите.
Космос оказался гораздо менее дружелюбным к квантовой технике, чем лаборатория. Однако даже после повреждения детекторов, деградации лазера и борьбы с солнечным светом ученым удалось получить ожидаемый квантовый эффект. А значит, сама идея космических квантовых процессоров теперь подтверждена не только расчетами, но и экспериментом.
