Край Будущего

Команда исследователей из Китайского университета науки и технологий (USTC) с гордостью представила свой новейший квантовый процессор — Zuchongzhi 3.0.

Данный процессор демонстрирует способность выполнять определенные вычисления на порядки быстрее, чем самые мощные современные суперкомпьютеры, что знаменует собой значительный шаг к достижению так называемого квантового превосходства.

По предварительным оценкам, его скорость выполнения некоторых задач может превосходить возможности классических суперкомпьютерных систем в квинтиллион раз (10 в 18-й степени).

Процессор Zuchongzhi 3.0 основан на 105 сверхпроводящих трансмонных кубитах, организованных в решетку размером 15 на 7 элементов. Это достижение представляет собой важную веху в развитии квантовых вычислительных устройств. По своим показателям новый китайский процессор превосходит даже возможности квантового чипа Willow, анонсированного компанией Google в декабре 2024 года.

Для оценки производительности квантовых компьютеров часто используется стандартный тест под названием Random Circuit Sampling (RCS). В ходе этого теста исследователи смогли решить сложную задачу, задействующую 83 кубита и 32 слоя квантовых операций, всего за несколько сотен секунд. Для сравнения, выполнение аналогичной задачи на втором по мощности суперкомпьютере в мире, Frontier, предположительно, заняло бы около 5,9 миллиарда лет.

Особо стоит отметить, что Zuchongzhi 3.0 справился с тестовой задачей почти в миллион раз быстрее, чем предыдущая разработка Google в этой области — чип Sycamore. Результаты исследования, проведенного в 2025 году, были представлены 3 марта в научном журнале Physical Review Letters, о чем сообщило издание Live Science.

Несмотря на столь впечатляющие достижения, разработчики подчеркивают, что тесты, специально предназначенные для демонстрации преимуществ квантовых систем, такие как RCS, изначально ставят квантовые компьютеры в более выгодное положение по сравнению с классическими.

Постоянное совершенствование алгоритмов для традиционных компьютеров со временем может сократить этот разрыв в производительности, как это уже наблюдалось после первого заявления Google о достижении квантового превосходства в 2019 году.

В своем исследовании ученые отмечают, что полученные результаты не только расширяют текущие границы возможностей квантовых вычислений, но и закладывают фундамент для новой эры, в которой квантовые процессоры будут играть ключевую роль в решении сложных прикладных задач.

Существенный вклад в выдающиеся характеристики Zuchongzhi 3.0 внесло увеличение времени когерентности кубитов, что позволяет им дольше сохранять свое квантовое состояние, необходимое для выполнения более сложных вычислений.

Также была значительно повышена точность выполнения квантовых операций (вентилей). Система способна осуществлять операции с одним кубитом с точностью 99,90% и операции с двумя кубитами с точностью 99,62% одновременно. Стоит отметить, что в этом аспекте процессор Willow от Google демонстрировал несколько более высокие показатели — 99,97% и 99,86% соответственно.

Впечатляющий рост производительности стал возможен во многом благодаря усовершенствованию технологических процессов изготовления кубитов. В качестве примеров можно привести использование тантала и алюминия, соединенных с помощью технологии indium bump flip-chip. Этот новый метод позволил значительно повысить точность и одновременно снизить уровень загрязнений в системе.

Блазары представляют собой активные ядра галактик, излучающие узкие джеты ионизированного газа, направленные в сторону Земли. В зависимости от характеристик электромагнитного излучения, испускаемого этими джетами, астрономы классифицируют такие объекты на различные четко определенные группы. Однако с блазаром "BL Lacertae", расположенным на фоне созвездия Ящерицы, ситуация оказывается гораздо более запутанной.

Далекий космос вновь удивил исследователей. Ранее считалось, что блазары — это активные галактики, излучающие джеты в нашу сторону, можно разделить на достаточно четкие категории в зависимости от их электромагнитного излучения. Однако эта, казавшаяся ясной, ситуация только что стала значительно более сложной.

В журнале Astronomy & Astrophysics польско-германская группа ученых из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове и Университета Гейдельберга (HU) сообщает о недавних наблюдениях блазара, который по непонятным причинам ускользает от существующих классификаций.

Объект, ныне известный как "BL Lacertae", был открыт в 1929 году в созвездии Ящерицы. Изначально астрономы считали его одной из многих переменных звезд в нашей галактике. Однако последующие наблюдения привели к удивительному открытию: то, что выглядело как звезда, на самом деле находилось на расстоянии около 900 миллионов световых лет, что однозначно исключало возможность его принадлежности к звездам нашей галактики!

Среди сотен миллиардов галактик, видимых в наблюдаемой вселенной, некоторые из них являются активными. Эти галактики характеризуются ядрами, излучающими значительные объемы электромагнитного излучения, предположительно в результате сложных процессов, возникающих при аккреции материи на центральную сверхмассивную черную дыру.

В ядрах галактик узкие джеты ионизированного газа, выбрасываемые близ полюсов черной дыры на колоссальные расстояния, иногда превышающие миллион световых лет, служат зрелищным признаком активности. Если струя направлена к Земле, астрономы именуют галактику, производящую ее, блазаром. "BL Lacertae" оказался именно таким объектом.

«Блазары представляют собой объект глубокого интереса по множеству причин, в частности, благодаря ориентации джетов и колоссальным скоростям их частиц, приближающимся к скорости света, что вызывает различные эффекты, описанные теорией относительности. Излучение от блазаров наблюдается в широком диапазоне электромагнитного спектра, начиная от радиоволн и заканчивая высокоэнергетическими гамма-лучами», — поясняет доктор Алиция Вержхольская из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN).

«Мы сосредоточили свои усилия на анализе энергии электромагнитного излучения, испускаемого одним из первых открытых блазаров: "BL Lacertae". Почему именно этот объект стал предметом нашего внимания? Причиной послужила его активность в последние годы и ряд интересных особенностей излучения, которые мы уже отметили в ходе предыдущих наблюдений».

Наблюдения проводились в период с 2020 по 2023 год с использованием инструментов американского спутника Нила Герхелса Свифт, находящегося на орбите Земли; лишь в диапазоне жесткого рентгена данные были дополнены информацией от космического телескопа NuSTAR.

Помимо рентгеновского диапазона, который представлял наибольший интерес для польско-германских исследователей, также были зарегистрированы оптические и ультрафиолетовые области спектра. Это объясняется тем, что электромагнитное излучение, производимое блазарами, охватывает широкий спектр, начиная от радиодиапазона и заканчивая гамма-излучением самых высоких энергий.

Блазары делятся на квазары с плоским спектром и объекты типа BL Lacertae (BL Lacs), которые характеризуются более слабыми эмиссионными линиями, и их название непосредственно происходит от блазара "BL Lacertae". Внутри группы BL Lacs возможна дальнейшая классификация. Действительно, диаграммы, иллюстрирующие весь энергетический спектр блазаров, напоминают вулканические конусы: они имеют две пики, разделенные арочной впадиной.

Если спектральный «вулкан» смещен в сторону высоких энергий, объект "BL Lacertae" классифицируется как HBL (блазары с высокой частотой пикового излучения); если в сторону низких энергий — как LBL (блазары с низкой частотой пикового излучения); объекты с промежуточным смещением именуются IBL (промежуточные BL Lacs).

«Объекты "BL Lacertae" довольно однозначно поддаются классификации в определенный тип. Блазар "BL Lacertae" до сих пор считался представителем промежуточного класса, IBL. Поэтому с немалой долей удивления мы отметили, что в рентгеновском диапазоне в некоторые фазы наблюдений он выглядел как HBL, в другие — как LBL, а в иные моменты «вежливо» создавал впечатление объекта типа IBL. Как будто этого было недостаточно, такие изменения происходили с поразительной быстротой. Это необычное поведение, физическую природу которого мы пока не можем объяснить», — говорит доктор Вержхольская, подчеркивая, что были и другие сюрпризы: зарегистрированная рентгеновская активность блазара оказалась рекордной за всю историю его наблюдений.

В настоящее время предполагается, что за существованием двух пиков в спектрах блазаров стоят различные физические явления, связанные с различными популяциями частиц в джетах. Многие астрофизики согласны с предположением, что низкочастотный пик связан с электронами и синхротронным излучением, которое они испускают.

Тем не менее, по поводу второго пика нет единого мнения. Возможно, это также является следствием поведения электронов, например, их столкновений с низкоэнергетическими фотонами, что может приводить к увеличению энергии фотонов (это известно как обратное рассеяние Комптона).

Однако выдвинуты и другие гипотезы, касающиеся адронов (т.е. кластеров кварков, таких как протоны или нейтроны). Но для объяснения поведения блазара "BL Lacertae" необходимо указать на нечто большее: не только физические процессы, ответственные за формирование двух пиков, но прежде всего механизм, отвечающий за их быстрое переключение. Можно сказать, что прежде чем это произойдет, многие астрофизики-теоретики проведут множество бессонных ночей в поисках ответов.