Атомная точность: как кремниевый квантовый чип с рекордной верностью открывает путь к миллионам кубитов

Физики из компании Silicon Quantum Computing (SQC) создали, по их словам, самый точный квантовый процессор из когда-либо разработанных, благодаря принципиально новой архитектуре.

Представители стартапа из Сиднея заявляют, что их квантовые чипы на основе атомов кремния дают преимущество перед другими типами квантовых процессоров (QPU). Это достигнуто благодаря новой архитектуре под названием «14/15», в которой атомы фосфора размещаются в кремнии (элементы под номерами 14 и 15 в периодической таблице). Свои результаты команда описала в исследовании, опубликованном 17 декабря в журнале Nature.

Компании удалось достичь верности (fidelity) операций в диапазоне от 99,5% до 99,99% на квантовом процессоре с девятью ядерными и двумя атомными кубитами. Это стало первой в мире демонстрацией атомных квантовых вычислений на кремнии в распределённых кластерах.

Верность измеряет эффективность методов коррекции и подавления ошибок. В SQC заявляют, что достигли наилучших в отрасли показателей ошибок на своей уникальной архитектуре.

Хотя это может звучать не так впечатляюще, как квантовые компьютеры с тысячами кубитов, архитектура «14/15» обладает огромным потенциалом масштабирования, отмечают учёные. Демонстрация пиковой верности в нескольких кластерах служит доказательством концепции, которая теоретически может привести к созданию отказоустойчивых QPU с миллионами рабочих кубитов.

Секретный ингредиент — кремний (с добавкой фосфора)

Квантовые вычисления, как и классические двоичные, используют энергию для проведения операций. Но вместо переключения транзисторов электричеством, в квантовых компьютерах создаются и управляются кубиты — квантовые аналоги битов.

Кубиты бывают разных типов. Google и IBM создают системы со сверхпроводящими кубитами на затворных структурах, а такие компании, как PsiQuantum, разрабатывают фотонные кубиты — частицы света. Другие, включая IonQ, работают с захваченными ионами, удерживая отдельные атомы с помощью «лазерных пинцетов».

Общая идея — использовать законы квантовой механики для управления чем-то очень малым, чтобы проводить полезные вычисления на основе его потенциальных состояний. В SQC утверждают, что их метод уникален, поскольку QPU создаются с использованием архитектуры «14/15».

Каждый чип они создают, размещая атомы фосфора внутри чистых кремниевых пластин.

«Это минимальный возможный размер элемента на кремниевом чипе, — объяснила в интервью Live Science Мишель Симмонс, CEO SQC. — Это 0,13 нанометра, по сути, длина связи в вертикальном направлении. Это на два порядка меньше, чем стандартные процессы TSMC. Это драматическое повышение точности».

Наращивание числа кубитов будущего

Для масштабирования квантовых вычислений каждой платформе приходится преодолевать свои препятствия. Универсальным вызовом для всех является квантовая коррекция ошибок (QEC). Квантовые вычисления происходят в крайне хрупкой среде: кубиты чувствительны к электромагнитным волнам, колебаниям температуры и другим воздействиям. Это заставляет суперпозицию многих кубитов «коллапсировать», делая их неизмеряемыми и теряя квантовую информацию в процессе вычислений.

Для компенсации большинство платформ выделяют часть кубитов для подавления ошибок, подобно проверочным битам в классических сетях. Но с ростом числа кубитов растёт и количество кубитов, необходимых для QEC.

«У нас длительное время когерентности ядерных спинов и очень мало так называемых «битовых переворотов» (bit flip errors). Поэтому наши коды коррекции ошибок сами по себе гораздо эффективнее. Нам не нужно корректировать и битовый переворот, и фазовую ошибку», — говорит Симмонс.

В других кремниевых квантовых системах битовые перевороты более вероятны, так как кубиты менее стабильны при менее точном управлении. Поскольку чипы SQC создаются с высочайшей точностью, они способны избегать многих ошибок, характерных для других платформ.

«Нам действительно нужно корректировать только фазовые ошибки, — добавляет другой представитель компании. — Поэтому коды коррекции ошибок гораздо компактнее, а значит, и общие накладные расходы на коррекцию ошибок существенно снижаются».

Гонка за преодоление алгоритма Гровера

Стандартом для проверки верности квантовой системы является алгоритм Гровера, созданный в 1996 году для демонстрации потенциального «преимущества» квантового компьютера перед классическим в определённой поисковой задаче. Сегодня это диагностический инструмент для оценки эффективности квантовых систем. Если лаборатория достигает верности выше 99.0%, считается, что она добилась отказоустойчивых квантовых вычислений с коррекцией ошибок.

В феврале 2025 года SQC опубликовала в Nature исследование, где продемонстрировала верность 98,9% при выполнении алгоритма Гровера на архитектуре «14/15». В этом аспекте SQC опередила таких гигантов, как IBM и Google, хотя те показывают конкурентоспособные результаты на десятках и даже сотнях кубитов против четырёх у SQC на тот момент.

Проекты IBM, Google и других продолжают отрабатывать свои дорожные карты. Однако по мере роста числа кубитов им приходится адаптировать методы подавления ошибок, и QEC остаётся одним из самых сложных препятствий.

Но учёные SQC утверждают, что их платформа настолько «свободна от ошибок», что смогла побить рекорд по алгоритму Гровера, вообще не применяя дополнительную коррекцию ошибок поверх кубитов.

«Если взглянуть на наш результат по алгоритму Гровера в начале года, у нас самая высокая верность — 98,87% от теоретического максимума, и мы при этом вообще не проводили коррекцию ошибок», — подчеркнула Симмонс.

В компании уверены, что кластеры кубитов, представленные в новой 11-кубитной системе, можно масштабировать до миллионов кубитов, хотя инфраструктурные ограничения могут замедлить прогресс.

«Разумеется, по мере масштабирования мы будем применять коррекцию ошибок, — говорит Симмонс. — Это придётся делать каждой компании. Но количество кубитов, которое для этого понадобится нам, будет гораздо меньше. Следовательно, физическая система будет компактнее, и требования к энергопотреблению — значительно ниже».

Таким образом, подход SQC, основанный на атомарной точности размещения фосфора в кремнии, открывает альтернативный путь к практическому квантовому компьютеру, где ключевым становится не просто количество, а качество и стабильность каждого кубита, что потенциально снижает инженерные барьеры на пути к созданию мощных вычислительных систем.