Последний шаг к квантовому интернету: кубит, который не нужно изолировать

Если молекулярные кубиты на эрбии удастся массово встроить в чипы и оптоволокно, привычная инфраструктура может измениться навсегда.

Ученым удалось создать новый тип молекулярного кубита, который может стать основой для соединения квантовых компьютеров через уже существующие телекоммуникационные сети. Такая технология потенциально приблизит появление распределенной квантовой инфраструктуры, часто называемой квантовым интернетом.

В центре разработки — элемент эрбий. Он обладает оптическими и магнитными свойствами, позволяющими передавать квантовую информацию на тех же длинах волн, что и обычные волоконно-оптические линии связи. Благодаря этому кубит на основе эрбия можно проще встраивать в кремниевые чипы, что открывает путь к более компактным и интегрированным квантовым устройствам. Исследование опубликовано 2 октября в журнале Science, где авторы назвали свою разработку перспективным строительным блоком для масштабируемых квантовых технологий — от сверхзащищенных каналов связи до распределенных вычислительных сетей.

Разработки для будущего квантового интернета ведутся активными темпами. Недавно ученые представили экспериментальный чип, способный передавать квантовые сигналы по реальным оптоволоконным линиям. В новом исследовании авторы сосредоточились на создании кубита, который сможет эффективно работать в составе таких систем.

Как пояснил руководитель работы Дэвид Ошалом из Чикагского университета, демонстрация универсальности кубита на основе эрбия показывает, что технология способна подключаться напрямую к современным оптическим сетям.

Кубиты являются квантовым аналогом классических битов, но ведут себя по законам квантовой механики. Если обычный бит может быть либо нулем, либо единицей, квантовый кубит способен находиться в суперпозиции состояний. В квантовых вычислениях используются различные виды кубитов, среди которых сверхпроводниковые схемы, ионы в ловушках и фотоны. Молекулярные кубиты выделяются тем, что используют отдельные молекулы, обычно построенные вокруг редкоземельных металлов. Их квантовое состояние определяется спином электрона, который можно настраивать и считывать.

Новый кубит на основе эрбия сочетает свойства спинового и фотонного кубита. Он хранит информацию в магнитном состоянии, а считывается при помощи оптических сигналов. В эксперименте ученые показали, что спин атома эрбия можно перевести в контролируемую суперпозицию. Поскольку состояние спина влияет на длину волны испускаемого света, исследователи смогли считывать квантовое состояние стандартными оптическими методами.

Авторы сравнивают такую молекулу с миниатюрным мостом между мирами магнетизма и оптики. Информация может кодироваться в магнитном состоянии и извлекаться светом на длинах волн, совместимых с существующими волоконными сетями и кремниевой фотоникой.

Работа на телеком-волнах дает два ключевых преимущества. Во-первых, такие сигналы проходят большие расстояния с минимальными потерями, что критично для передачи квантовых данных по оптоволокну. Во-вторых, свет в этом диапазоне легко проходит через кремний, не поглощаясь и не теряя информацию. Это делает эрбиевые кубиты удобными для чипов, где фотонные компоненты располагаются под поверхностью материала.

По словам Ошалома, масштабируемость — еще одна сильная сторона технологии. Каждый кубит представляет собой одиночную молекулу, в десятки тысяч раз меньшую толщины человеческого волоса. Ее свойства можно настраивать синтетическими методами, что позволяет интегрировать такие кубиты в самые разные среды — от твердотельных устройств до живых клеток. Такой уровень гибкости может помочь решить одну из главных инженерных задач квантовых вычислений: совместимость с уже существующей технологической базой.

Исследователи подчеркивают, что интеграция кубитов прямо в чипы станет важным шагом на пути к масштабируемым квантовым системам. Сейчас команда работает над размещением таких молекулярных кубитов в интегрированных устройствах и ожидает, что это откроет новые возможности для управления, считывания и связывания квантовых элементов между собой.

24.11.2025

Российскому интернету грозит «помутнение»: до 70% оптоволоконных магистралей устареют в 2025 году

Порядка 50–70 % доступной волоконно-оптической инфраструктуры в России на направлении запад-восток исчерпает срок гарантийного обслуживания в 2025 году. Об этом на Пиринговом форуме 2025 со ссылкой на данные аналитической компании рассказал директор по продажам инфраструктурной телекоммуникационной компании «Атлас» Павел Колочкин.

Он сообщил, что загрузка магистральных сетей от Москвы до Улан-Удэ близка к пределу в 60–70 %. При этом отметка в 70 % является пределом комфортной эксплуатации ВОЛС, поскольку часть ёмкости необходимо держать в резерве на случай каких-то повреждений на параллельных направлениях. С такой оценкой согласен менеджер по техническим решениям VPG Laserone (отечественный производитель DWDM-решений для магистральных ВОЛС, относится к кластеру «СФ Тех» ГК Softline) Станислав Шестов, подтвердивший оценки аналитиков по доступности и загрузке существующих магистральных сетей.

По подсчётам J’son & Partners Consulting, в период с 2020 по 2030 год в России необходимо заменить свыше 400 тыс. км волоконно-оптического кабеля, срок службы которого превысил 20 лет. По оценке компании, к концу 2020 года протяжённость магистральных ВОЛС крупных операторов превысила 700 тыс. км. Отмечается, что модернизация кабельной инфраструктуры затронет не только операторов сетей связи общего назначения, но и операторов ведомственных сетей, в том числе на железных дорогах, в энергетике, нефтегазовой отрасли и др.

По данным источника, пик строительства магистральной волоконно-оптической инфраструктуры пришёлся на начало 2000-х годов. Соответственно стандартный срок службы кабелей в 20–25 лет действительно подходит к концу. Эту информацию сообщили директор по развитию и эксплуатации услуг связи «Телеком биржи» Анастасия Биджелова.

Специалисты отмечают, что после истечения срока службы стекловолокно начнёт мутнеть, а его передающие способности — ухудшаться. Это будет вызывать затухание сигнала и негативно отразится на пропускной способности систем магистральной связи. Кроме того, за 25 лет старые кабели попросту устарели морально и могут быть несовместимы с современным оборудованием. Однако окончание срока гарантийного обслуживания кабелей вовсе не означает, что они тут же массово выйдут из строя. Это лишь увеличит вероятность роста локальных повреждений и затрат на обслуживание инфраструктуры.

По данным источника, средняя стоимость строительства 1 км магистральной ВОЛС обходится в 1 млн рублей. Однако возникающие препятствия, такие как переходы через реки, могут увеличить стоимость строительства участка в разы. При этом замена всех кабелей, срок гарантийного обслуживания которых истекает, может обойтись в сотни миллиардов рублей, считают эксперты.

В России есть только один производитель оптоволокна — саранский завод «Оптиковолоконные системы». Кабель из волокна производят более десяти отечественных компаний. Ранее СМИ также писали, что российское оптоволокно не выдерживает конкуренцию с китайским, производители которого по итогам прошлого года нарастили долю на рынке страны до 75 %. Такая динамика объясняется демпинговыми ценами производителей и господдержкой со стороны китайских властей.

Владимир Фетисов - 25.11.2025

A high-resolution molecular spin-photon interface at telecommunication wavelengths - PubMed

Optically addressable electronic spins in polyatomic molecules are a promising platform for quantum information science, with the potential to enable scalable qubit design and integration through atomistic tunability and nanoscale localization. However, optical state- and site-selection are an open …