Прорывной квантовый тепловой двигатель приближает к созданию более крупных квантовых компьютеров

Микромасштабный квантовый тепловой двигатель, преобразующий тепловую энергию в полезную работу при температурах, близких к нулю, проложил путь к созданию более эффективного квантового компьютера.

Ученые из Университета Аалто разработали первую машину, способную выполнить полный квантово-механический цикл внутри сверхпроводящей цепи. Размеры всей машины меньше размера песчинки. В качестве вещества в этом двигателе используется квантовый бит, являющийся квантово-механическим носителем информации.

Проект, возглавляемый профессором Микко Мёттёненом, был опубликован в журнале Nature Communications. В основе работы машины лежит тот же принцип, что и в двигателях автомобилей и электростанций. Такие машины создают работу за счет обмена энергией между теплой и холодной средой.

Разработанная Аалто машина делает это на микроскопическом чипе, где квантовая физика управляет поведением мельчайших энергий.

Исследователи используют один холодильник для нагрева и охлаждения кубита

В состав устройства входит перестраиваемый по потоку трансмонный кубит, связанный с резонатором и квантовым схемным холодильником. Трансмоны уже широко распространены в сверхпроводящих квантовых компьютерах.

Инженеры используют микроволновые сигналы для управления ими, пока они хранят и обрабатывают квантовую информацию. В данном случае трансмон заменил газ, который обычно служит рабочим материалом внутри стандартного двигателя.

Холодильник выполнял две противоположные задачи. Обычные тепловые двигатели часто зависят от отдельных источников тепла и холода. Команда из университета Аалто изменила настройки одного из устройств, чтобы оно могло нагревать кубит на одном этапе процесса и охлаждать его на другом. Исследователи также изменяли уровень энергии кубита в тщательно выбранные моменты времени.

Эта последовательность завершает все четыре части квантового цикла Отто. Бензиновые двигатели используют обычный цикл Отто за счет сжатия и расширения топлива и воздуха внутри цилиндров.

В новой машине не использовался сжатый газ. Один кубит обменивался чрезвычайно малыми количествами энергии внутри цепи, поддерживаемой при криогенных температурах.

Первый автор исследования Туомас Ууснакки объяснил принцип работы установки. «В нашем эксперименте мы создали нанофабрикованный тепловой двигатель, используя сверхпроводящие схемы, и запустили его в криостате при температуре, близкой к абсолютному нулю. В его основе лежит трансмонный кубит, один из основных строительных блоков современных квантовых технологий», — сказал Туомас.

Разработчики Bitcoin trac, как квантовые алгоритмы могут повлиять на безопасность сети

Квантовые вычисления также важны для Bitcoin, хотя вопрос безопасности отделен от теплового двигателя. Сатоши Накамото никогда не рассматривал classicметод грубой силы как практическую опасность, и это остается верным. Квантовая проблема состоит из двух частей. Одна касается хеширования, а другая — цифровых подписей.

Алгоритм Гровера может ускорить поиск возможных ответов. При использовании против SHA-256 он снизит эффективную защиту системы с 256 бит до примерно 128 бит.

Этот уровень по-прежнему значительно превосходит возможности современных машин. Исследователи утверждают, что злоумышленнику потребуется квантовое оборудование, намного превосходящее по размерам всё, что существует в настоящее время.

Алгоритм Шора вызывает больше опасений, поскольку он атакует подписи, а не хеши. Достаточно мощный квантовый компьютер мог бы вычислить закрытый ключ на основе открытого ключа, уже доступного на эллиптической кривой, используемой Bitcoin (BTC).

Около 7 миллионов Bitcoin, что составляет примерно 35% от общего объема предложения, хранятся на адресах с видимыми открытыми ключами. Эти активы могут стать уязвимыми, если когда-нибудь будет создано необходимое оборудование.

В 2026 году подразделение Google, входящее в Alphabet Inc. (NASDAQ: GOOGL), опубликовало исследование, в котором прогнозируемое количество физических кубитов, необходимых для преодоления кривой Bitcoin, было снижено примерно до 500 000. Современные квантовые компьютеры обычно имеют не более 1000–1500 кубитов.

Исследователи видят реальную угрозу в период с 2029 по 2035 год, основанную на достижениях в области коррекции ошибок.

В 2010 году Сатоши несколько раз обсуждал безопасность хеширования, включая возможность частичной коллизии SHA-256. Предложенный им ответ оставался неизменным: разработчикам необходимо сначала обеспечить безопасность честного блокчейна, а затем заменить скомпрометированную функцию.

Последующие обновления Bitcoin не повлияли на хеш-функцию, используемую в сети. Функция Segregated Witness была введена в 2017 году, а Taproot — в 2021 году.

Квантовая устойчивость стала серьезной проблемой среди разработчиков примерно в 2020 году благодаря повышению осведомленности об алгоритмах Гровера и Шора.