Квантовые компьютеры обещают революцию — от разработки лекарств до оптимизации финансовых рынков. Но есть загвоздка: чем мощнее такие машины становятся, тем труднее их масштабировать. Огромные системы охлаждения, километры проводов и растущие тепловыделения буквально упирают развитие в физические пределы. Международная группа ученых предлагает неожиданный выход — встроить в архитектуру квантового компьютера квантовые батареи и питать вычисления изнутри.
Исследование, выполненное совместно специалистами австралийского научного агентства CSIRO, Университета Квинсленда и Института науки и технологий Окинавы (OIST), показывает: такой подход может радикально повысить энергоэффективность и ускорить вычисления, одновременно снимая ключевые ограничения масштабирования. Результаты опубликованы 26 января в журнале Physical Review X.
В чем проблема современных квантовых компьютеров
Принцип простой и беспощадный: больше кубитов — больше тепла и больше проводов. Каждый добавленный квантовый бит требует управляющей электроники и охлаждения до сверхнизких температур. В какой-то момент места в криостате и мощности холодильных установок просто не хватает. Именно этот «энергетический потолок» сегодня тормозит переход от экспериментальных систем к по-настоящему крупным квантовым машинам.
По расчетам авторов работы, интеграция миниатюрных квантовых батарей прямо в вычислительную систему способна вчетверо увеличить плотность кубитов в том же физическом объеме. И это без наращивания внешней инфраструктуры.
Как работают квантовые батареи
Если литий-ионная батарея в смартфоне хранит энергию за счет химических реакций, то квантовая батарея устроена иначе. Она аккумулирует энергию света и может «заряжаться» при простом облучении — без химии и износа в привычном смысле.
Внутри квантового компьютера такие батареи образуют замкнутый контур: они постоянно подпитываются энергией от внутренних компонентов системы и тут же возвращают ее в вычислительный процесс. Ключевой момент — квантовая запутанность. Батарея и вычислительные узлы связаны на квантовом уровне, образуя единое целое, где логика и питание сосуществуют в одной архитектуре.
По словам руководителя направления квантовых батарей в CSIRO Джеймса Куача, это похоже на «встроенный топливный бак»: вместо непрерывной подкачки энергии из электросети система сама перезаряжается по мере работы.
Меньше тепла, больше скорости
Выгоды выходят далеко за рамки экономии энергии. Теоретическая модель показывает, что системы с квантовыми батареями выделяют значительно меньше тепла, требуют меньше проводки и позволяют разместить больше кубитов в том же объеме. Все это — критические шаги на пути к практичным и масштабируемым квантовым компьютерам.
Но есть и неожиданный бонус. Исследователи обнаружили эффект, называемый квантовой сверхэкстенсивностью. В классических системах рост сложности почти всегда означает замедление. Здесь — наоборот: чем больше кубитов добавляется, тем быстрее работает компьютер. Архитектура не просто избегает деградации производительности, а ускоряется с ростом масштаба. Разве не об этом мечтали разработчики высокопроизводительных систем?
Пока все расчеты существуют «на бумаге», но следующий шаг команды — создание рабочего прототипа, который оживит концепцию квантовых батарей в железе. Технология еще молода и потребует серьезной доработки, однако направление уже сейчас открывает дорогу к новой области — квантовой энергетике.
Если подход оправдает себя, будущие суперкомпьютеры станут не только быстрее, но и в значительной степени самодостаточными. А это может изменить правила игры в вычислениях, медицине, энергетике, финансах, связи и многих других сферах.
