Односторонняя квантовая синхронизация может сделать квантовые компьютеры надежнее

Художественное изображение невзаимной квантовой синхронизации. Исследователи RIKEN предложили новый подход к невзаимной квантовой синхронизации фононов, устойчивый к несовершенствам и шуму. Credit: 2026 RIKEN Center for Quantum Computing

Группа физиков-теоретиков из RIKEN предложила новый способ достижения односторонней квантовой синхронизации фононов — частиц, связанных со звуком. Этот подход выделяется тем, что сохраняет высокую эффективность даже перед лицом реальных проблем, таких как производственные дефекты и внешний шум.

Многие современные технологии полагаются на компоненты, которые ведут себя как улицы с односторонним движением. Эти устройства позволяют частицам или сигналам свободно двигаться в одном направлении, значительно ограничивая движение в противоположном. Известные как невзаимные компоненты, они широко используются в микроволновых и оптических системах для направления сигналов и уменьшения нежелательных отражений.

«Невзаимные компоненты позволяют сигналам распространяться по заданным путям, в то время как в обратном направлении они сильно ослабляются», — отмечает Франко Нори из Центра квантовых вычислений RIKEN (RQC). «Эта способность находит применение в самых разных областях: от обработки сигналов до создания устройств невидимости».

Односторонняя квантовая синхронизация

Исследователи давно стремились создать связанное явление, известное как невзаимная квантовая синхронизация. В этом процессе две квантовые системы синхронизируются, когда информация течет в одном направлении, но синхронизация не происходит в обратном направлении.

Несмотря на значительный интерес, разработка практического способа достижения этого эффекта оказалась сложной задачей. Более ранние предложения, как правило, были уязвимы для ряда ограничений, которые затрудняют их реализацию в реальных условиях.

«Практические квантовые технологии сталкиваются с критическими проблемами из-за случайных производственных дефектов и внешнего шума», — отмечает Адам Миранович, также из RQC. «Эти факторы сильно подавляют — или даже полностью уничтожают — квантовые ресурсы в традиционных подходах».

Новый метод преодолевает шум и несовершенства

В новом теоретическом исследовании Нори, Миранович и Дэн-Гао Лай разработали метод, который обеспечивает невзаимную квантовую синхронизацию фононов, избегая многих препятствий, мешавших предыдущим подходам.

«Эта разработка закладывает новую основу для генерации невзаимных квантовых ресурсов, переходящих от хрупкого состояния к устойчивому, с перспективой практического применения в будущем», — говорит Нори.

Их стратегия объединяет два отдельных квантовых эффекта в единую структуру. Используя этот подход, фононы синхронизируются, когда свет или магнитное поле прикладываются с одного направления, но синхронизация не происходит, когда то же самое воздействие исходит с противоположного направления.

Удивительная устойчивость для квантовых технологий

Исследователи были особенно удивлены тем, насколько устойчивой оказалась система.

«Мы были в восторге, обнаружив, что квантовая синхронизация сохраняется даже при наличии значительных несовершенств и шума», — говорит Лай. «Ранее считалось, что это невозможно без использования сложных схем защиты».

Команда считает, что результаты могут помочь в развитии практических квантовых технологий, и планирует продолжить изучение концепции.

«Обеспечивая надежную невзаимную квантовую синхронизацию, наше исследование открывает путь к созданию более надежных квантовых процессоров и защищенных квантовых ресурсов», — комментирует Лай. «Сейчас мы планируем изучить применение в области квантовых сетей и обработки квантовой информации, устойчивой к ошибкам».

Источники:

Материалы предоставлены RIKEN.

Deng-Gao Lai, Adam Miranowicz, Franco Nori. Nonreciprocal quantum synchronization. Nature Communications, 2025; 16 (1) DOI: 10.1038/s41467-025-63408-z