Физика, ты пьяна: встречайте компьютер, который работает быстрее, если нагрузить его посильнее

Международная группа исследователей предложила теоретическую модель квантового компьютера, в котором источником энергии становятся квантовые батареи. В работе участвовали ученые из австралийского научного агентства CSIRO, Университета Квинсленда и Института науки и технологий Окинавы (OIST). По их расчетам, встраивание таких батарей прямо в архитектуру квантовых систем может ускорить вычисления, снизить энергопотребление и снять физические ограничения, которые сегодня мешают масштабированию квантовых машин.

Одна из главных проблем современных квантовых компьютеров связана не с алгоритмами, а с инфраструктурой. Для работы им нужны мощные системы охлаждения, сложная проводка и громоздкое внешнее оборудование. Чем больше кубитов добавляется в систему, тем больше выделяется тепла и тем больше требуется кабелей, источников питания и охлаждающих контуров. В какой-то момент инженеры просто упираются в пределы по пространству, теплоотводу и энергопотреблению.

Авторы работы показали на теоретической модели, что если встроить миниатюрные квантовые батареи прямо внутрь вычислительной системы, емкость по кубитам можно увеличить примерно в четыре раза. Вместо постоянного потребления энергии из внешней сети система начинает частично работать за счет внутреннего перераспределения ресурсов. Это снижает нагрузку на инфраструктуру, уменьшает тепловыделение и позволяет плотнее размещать элементы внутри одного устройства.

Квантовая батарея принципиально отличается от обычных аккумуляторов, например литий-ионных. В ней нет химических реакций. Энергия накапливается за счет взаимодействия с излучением, в том числе со светом, и может восстанавливаться при простом облучении. Внутри квантового компьютера такие батареи образуют замкнутый контур, в котором энергия постоянно циркулирует между компонентами системы. Модель предполагает тесную связь между блоками питания и вычислительными элементами через квантовую запутанность, при которой энергия и механика становятся частью одной квантовой структуры.

Отдельный интерес вызывает эффект, связанный со скоростью работы системы. В обычных вычислительных архитектурах рост сложности почти всегда приводит к замедлению: чем больше элементов и связей, тем тяжелее системе обрабатывать данные. В этой модели логика другая. По мере добавления кубитов производительность не падает, а, наоборот, растет. Чем больше элементов включено в систему, тем быстрее она работает. Такой эффект полностью ломает привычное представление о том, как должны масштабироваться вычислительные архитектуры.

Следующий шаг для команды, попытка создать физический прототип, в котором квантовые батареи станут частью реальной вычислительной системы. Сами квантовые батареи пока находятся на ранней стадии развития, и до практических устройств еще далеко, но концепция уже задает новое направление для исследований.

Если подобные системы удастся реализовать на практике, будущие квантовые машины смогут быть не только быстрее, но и гораздо менее зависимыми от внешней инфраструктуры. Это может изменить подход к созданию вычислительных центров и ускорить развитие квантовых технологий в науке, медицине, энергетике, финансах и коммуникациях.