Прорывной квантовый тепловой двигатель приближает создание более крупных квантовых компьютеров

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

Ученые из Университета Аалто разработали первую машину, способную выполнять весь квантово-механический цикл в рамках сверхпроводящей цепи. Вся машина меньше размера зерна песка. Кубит, который является квантово-механическим носителем информации, используется в качестве вещества в двигателе.

Профессор Академии Микко Моттонен руководил проектом, опубликованным в Nature Communications. Машина использует ту же базовую идею, что и двигатели в автомобилях и на электростанциях. Такие машины создают работу за счет обмена энергией из теплых в холодные среды.

Машина, разработанная Аалто, делает это на микроскопическом чипе, где квантовая физика управляет поведением микроскопических энергий.

Исследователи используют один холодильник для нагрева и охлаждения кубита

Двигатель содержит флюкс-настраиваемый кубит-трансмон, связанный с резонатором и квантовым холодильником. Трансмоны уже широко распространены в сверхпроводящих квантовых компьютерах.

Инженеры используют микроволновые сигналы для управления ими, пока они хранят и обрабатывают квантовую информацию. Здесь трансмон заменил газ, который обычно служит рабочей средой внутри стандартного двигателя.

Холодильник выполнял две противоположные задачи. Обычные тепловые двигатели часто зависят от отдельных горячих и холодных источников. Команда из Aalto изменила настройки одного устройства так, чтобы оно могло нагревать кубит в одной части процесса и охлаждать его в другой. Исследователи также изменили энергетический уровень кубита в тщательно выбранные моменты времени.

Эта последовательность завершила все четыре части квантового цикла Отто. Бензиновые двигатели используют обычный цикл Отто через сжатие и расширение топлива и воздуха внутри цилиндров.

Новая машина не имела сжатого газа. Один кубит обменивал чрезвычайно малыми количествами энергии внутри цепи, поддерживаемой при криогенных температурах.

Первый автор исследования Туомас Ууснякки объяснил установку. «В нашем эксперименте мы построили нанофабрикованный тепловой двигатель, используя сверхпроводящие цепи, и запустили его в криостате, близком к абсолютному нулю. В его основе лежит трансмон-кубит, один из основных строительных блоков современных квантовых технологий», — сказал Туомас.

Разработчики Bitcoin отслеживают, 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 считал классическое грубое перебор (brute force) практической угрозой, и это остается верным. Квантовая проблема состоит из двух частей. Одна касается хеширования, а другая — цифровых подписей.

Алгоритм Гровера может ускорить поиск среди возможных ответов. Если он будет использован против SHA-256, это снизит эффективную защиту системы с 256 бит до примерно 128 бит.

Этот уровень все еще далеко за пределами доступных сегодня машин. Исследователи говорят, что атакующему потребуется квантовое оборудование, намного большее, чем любое из существующих в настоящее время.

Алгоритм Шора представляет большую опасность, поскольку он атакует подписи, а не хеши. Достаточно мощный квантовый компьютер мог бы вычислить закрытый ключ из открытого ключа, уже опубликованного в эллиптической кривой, используемой Bitcoin (BTC).

Около 7 миллионов биткоинов, что составляет почти 35% от общего предложения, находятся на адресах с видимыми открытыми ключами. Эти средства могут стать уязвимыми, если когда-либо будет создано необходимое оборудование.

Quantum AI в Google, подразделении Alphabet Inc. (NASDAQ: GOOGL), представила исследование в 2026 году, которое снизило прогнозируемое количество физических кубитов, необходимых для взлома кривой Bitcoin, до примерно 500 000. Современные квантовые компьютеры обычно имеют не более 1000–1500 кубитов.

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

Сатоши несколько раз обсуждал безопасность хеширования в 2010 году, включая возможность частичного столкновения SHA-256. Его предложенный ответ оставался неизменным. Разработчики должны сначала обеспечить безопасность честного блокчейна, а затем заменить скомпрометированную функцию.

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

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