Недавно в журнале National Science Review вышла большая обзорная статья по сверхпроводящим квантовым вычислениям. Ее подготовили специалисты Пекинской академии квантовых информационных наук (BAQIS) вместе с коллегами из более чем десяти научных центров по всему миру. В статье собраны последние достижения из разных областей, которые приближают нас к созданию полноценных квантовых компьютеров, устойчивых к ошибкам и способных к масштабированию. Ученые не просто предполагают, а показывают, как теория превращается в работающее «железо».

Создание квантовых чипов — это сложный синтез новых материалов, инженерных решений и прогресса в технологиях производства. Ключевой элемент — кубиты, и здесь по-прежнему широко используют алюминий, потому что с ним хорошо отработаны все процессы. Но растет интерес к танталу — он может дольше сохранять квантовое состояние (так называемое время когерентности). Серьезно улучшилось и качество джозефсоновских контактов — сердечника кубита. Ученые научились лучше контролировать процесс окисления и отжига, что повысило стабильность и однородность элементов. Чтобы соединять тысячи кубитов без потерь, применяют передовые методы: монтаж методом перевёрнутого чипа (flip-chip bonding) и сквозные кремниевые переходы (TSV). Это снижает помехи и увеличивает время релаксации кубита (T₁) до миллисекунд. Именно такие технологии — фундамент для процессоров следующего поколения.

Не стоит на месте и точность операций с кубитами. Для одиночных кубитов теперь часто используют импульсы с DRAG-коррекцией — это специальная форма сигнала, которая предотвращает переход в нецелевые состояния. Для парных операций появились новые протоколы — fSim и bSWAP, они эффективнее старых подходов вроде CR и CZ. А если добавить к ним tunable couplers — управляемые соединения между кубитами — можно еще сильнее сократить длительность операций и помехи. В лучших экспериментах ошибка двухкубитных операций уже падает ниже 0,1%, что близко к порогу, за которым начинается устойчивая коррекция ошибок.

Увеличивается не только качество, но и сложность систем. В Чжэцзянском университете смогли запутать более 60 кубитов в состоянии типа GHZ с точностью около 60%. А команда из Китайского университета науки и технологий (USTC) провела случайные квантовые вычисления на 83 кубитах, добившись большей глубины и лучшей точности измерений. Эти результаты показывают, что сверхпроводящие платформы уже способны работать со сложными многокубитными системами без серьезной потери качества.

Важный прорыв совершили в Google: на системе из 105 кубитов они впервые экспериментально подтвердили, что логическая ошибка (после коррекции) может быть ниже, чем ошибка на физическом уровне. Это прямое доказательство работоспособности кодов поверхностности (surface codes) для исправления ошибок. Параллельно развиваются и другие методы, например, QLDPC-коды — они требуют меньше кубитов для коррекции. А для современных шумных квантовых устройств (NISQ) применяют методы подавления ошибок, такие как экстраполяция к нулевому шуму (ZNE) и вероятностное подавление ошибок (PEC), — они не требуют полномасштабной коррекции, но уже сейчас улучшают результаты.

Появляются и совершенно новые подходы кодирования кубитов. Вместо традиционных сверхпроводящих кубитов используют, например, bosonic codes — коды на основе фотонов в резонаторах. Среди них — cat codes, binomial codes и GKP-коды. Они используют высокую стабильность сверхпроводящих резонаторов, и уже есть эксперименты с выполнением логических операций между ними. Отдельно выделяются fluxonium-кубиты — у них уникальный энергетический спектр, и они хорошо работают на низких частотах, что делает их перспективными для масштабирования.

Несмотря на прогресс, до универсальных квантовых компьютеров с миллионами кубитов еще далеко. Нужно решить множество проблем: создать масштабируемую коррекцию ошибок, научиться управлять плотными соединениями, точно настраивать частоты и подавлять помехи во всей системе. Но уже сейчас улучшения в качестве кубитов, точности операций и интеграции позволяют применять квантовые вычисления в конкретных задачах: квантовой химии, финансовом моделировании и оптимизации. Это важный шаг к большой мечте — созданию масштабируемых и устойчивых к ошибкам квантовых экосистем.

Как эксперт, я вижу главную пользу этого исследования в том, что оно систематизирует разрозненные прорывы из разных лабораторий мира в единую картину. Это позволяет увидеть не отдельные успехи, а общий вектор развития технологии. Для инвесторов и компаний такой обзор — своего рода карта возможностей: он показывает, какие методы (например, танталовые кубиты или TSV) уже готовы для внедрения, а какие еще требуют доработки. Это ускоряет принятие решений о финансировании и разработке. Для ученых — это сокращение времени на поиск решений: вместо того чтобы искать вслепую, можно опереться на уже проверенные чужие наработки. В конечном счете, такая консолидация знаний ускоряет переход от лабораторных экспериментов к коммерчески полезным устройствам, которые, например, смогут проектировать новые материалы с заданными свойствами или оптимизировать глобальные логистические маршруты.

Хотя обзор впечатляет широтой охвата, в нем практически отсутствует критический анализ технологических барьеров, которые могут сделать некоторые из описанных путей тупиковыми. Например, авторы с оптимизмом пишут о достижении времени когерентности в миллисекунды и ошибок ниже 0,1%, но не упоминают, что эти результаты получены в идеализированных лабораторных условиях на малых системах. При масштабировании до тысяч кубитов возникают принципиально новые проблемы: тепловыделение, синхронизация управления, вариабельность параметров чипов. Игнорирование этих «инженерных» трудностей создает излишне радужную картину и может ввести в заблуждение относительно реальных сроков появления практических систем.

Ранее мы разбирались, когда квантовые вычисления станут реальностью.