Ученые совершили прорыв в создании долгоживущих кубитов
Ученые разработали новый метод изготовления сверхпроводящих квантовых битов (кубитов), которые могут сохранять когерентность в три раза дольше, чем лучшие современные лабораторные системы. Это позволяет выполнять более сложные и мощные квантовые вычисления.
Новая методика, описанная в исследовании, опубликованном 5 ноября в журнале Nature, основана на использовании редкоземельного элемента тантала. Этот металл, относящийся к переходным, выращивают на минералах, таких как танталит и кремний, послойно наращивая металлическую пленку атом за атомом.
Исследователи использовали тантал, выращенный на кремнии, для создания кубитов, способных сохранять когерентность до 1,68 миллисекунд. Это примерно в три раза дольше, чем ранее зафиксированные в лабораторных условиях рекорды, и до 15 раз дольше, чем у сверхпроводящих кубитов, используемых такими компаниями, как Google и IBM, в своих квантовых процессорах (QPU).
«Главная проблема, которая мешает нам создать полезные квантовые компьютеры сегодня, заключается в том, что информация в созданных кубитах сохраняется недолго. Это следующий большой скачок вперед», — заявил в своем комментарии Эндрю Хаук, декан инженерного факультета Принстонского университета и соавтор исследования.
Проблема декогеренции и дефектов
Когерентность в квантовых вычислениях — это мера того, как долго кубит может поддерживать свое квантовое состояние. Когда кубиты декогерируют, они теряют информацию. Это делает сохранение когерентности одной из самых серьезных проблем в квантовых вычислениях.
Ученые уже несколько лет пытаются использовать тантал в качестве материала для кубитов. Когда сверхпроводящий материал, такой как тантал, охлаждается до температур, близких к абсолютному нулю, схемы, созданные на его основе, могут работать практически без сопротивления. Это обеспечивает высокую скорость квантовых операций, но их скорость и количество принципиально ограничены тем, как долго кубиты могут удерживать свои информационные состояния.
Преимущество тантала заключается в том, что его легче очистить от примесей, которые приводят к дефектам в производственном процессе. Любая неоднородность может ускорить декогеренцию кубитов. Инертность и устойчивость тантала защищают его от изменений состояния, связанных с коррозией и смещением молекул; он даже не поглощает кислоту при погружении. Это делает его идеальным кандидатом на роль сверхпроводящего материала для квантовых вычислений.
Однако сохранение материала кубита свободным от дефектов — это лишь половина дела. Производство квантового процессора требует как базового слоя, так и подложки. В предыдущих экспериментах ученые добивались передовых результатов, используя процессоры с базовым слоем из тантала и подложкой из сапфира. Эти эксперименты были успешными, но время когерентности все равно составляло менее одной миллисекунды.
Команда из Принстона заменила сапфировую подложку в таких экспериментах на высокоомный кремний, разработанный с использованием специальных технологий. Согласно исследованию, им удалось достичь времени когерентности до 1,68 миллисекунд в системах размером до 48 кубитов — это абсолютный рекорд для сверхпроводящих кубитов.
Новая конструкция кубита похожа на те, что используются в сверхпроводящих квантовых процессорах ведущих компаний, таких как Google и IBM. Хаук даже добавил, что «замена компонентов в лучшем квантовом процессоре Google, называемом Willow, на разработанные в Принстоне, позволила бы ему работать в 1000 раз лучше».
Перспективы и вызовы
Значение этого прорыва для квантовой индустрии пока не до конца ясно. Несмотря на значительный прогресс в увеличении времени когерентности кубитов, остаются серьезные вызовы. Главный из них — доступность тантала. По состоянию на 2025 год тантал считается редким металлом, основная добыча которого сосредоточена в Африке.
Хотя новые кубиты значительно увеличивают время когерентности, их еще необходимо протестировать в более крупных масштабах на полноразмерных чипах, прежде чем они смогут быть интегрированы в современные коммерческие квантовые компьютеры. Кроме того, увеличение количества кубитов в системе неизбежно ставит новые задачи по контролю и коррекции ошибок, которые также необходимо решить для создания практичных и надежных квантовых вычислительных устройств.
Тем не менее, достижение команды из Принстона представляет собой важный шаг на пути к созданию квантовых компьютеров, способных решать задачи, недоступные классическим системам, — от моделирования сложных молекул для разработки новых лекарств до оптимизации глобальных логистических цепочек.
