Учёные МГУ сообщили о важном достижении в рамках российского квантового проекта. Им удалось масштабировать прототип квантового компьютера на нейтральных атомах рубидия до 72 кубитов. Этот результат был получен в ходе контрольного эксперимента, проводимого по дорожной карте «Росатома».
Новый вычислитель с показателем 72 кубита вошёл в тройку лидеров среди российских квантовых платформ. Ранее учёные уже продемонстрировали 70-кубитный процессор на ионах иттербия и 72-кубитный — на ионах кальция.
Особенностью нового прототипа стала обновлённая архитектура, которая разделяет вычислительный регистр на несколько зон: для хранения информации, проведения операций и считывания результатов. В эксперименте были задействованы первые две зоны. Точность выполнения двухкубитной операции составила 94%.
По словам разработчиков, следующими задачами станут дальнейшее повышение точности операций, масштабирование системы до сотен кубитов и реализация коррекции ошибок. Эти шаги приблизят создание квантового компьютера, способного решать задачи, недоступные классическим вычислительным системам.
Работа ведётся в рамках экосистемы «Росатома», объединяющей более 600 исследователей из 19 научных организаций страны.
Подписывайтесь на Телеграм «Сделано у нас» тут, а на сообщество на Пикабу можно подписаться здесь
Персональный квантовый компьютер, предназначенный для учебных заведений, выпустит китайская компания Shenzhen SpinQ Technology. Ориентировочная цена будущего компьютера составляет всего 5 тысяч долларов и он будет ориентирован на использование в учебных целей в школах и университетах. В прошлом году компания уже выпускала настольный квантовый компьютер по цене 50 тысяч долларов и массой 55 кг.
Новый квантовый ПК будет иметь гораздо меньшую массу, и продаваться по значительно меньшей цене. В планы компании входит выпуск серийного образца уже в четвертом квартале текущего года. Низкая стоимость компьютера, по сравнению с коммерческими квантовыми компьютерами (до 10 млн долларов) позволит приобретать устройство учебным заведениям, для которых он в первую очередь и предназначен.
Производительность квантового ПК - 2 кубита (элементарный элемент для хранения информации в квантовом компьютере), что значительно меньше существующих серийных квантовых компьютеров обрабатывающих свыше 50 кубитов. Такая невысокая производительность, однако, позволяет проводить элементарные квантовые вычисления для демонстрации принципов работы квантовых компьютеров.
Модель Gemini обладает двумя кубитами, весит 44 кг и потребляет 100 Вт. Этот компьютер способен выполнять гораздо более сложные операции. Цена вопроса составляет $43тыс. (около 3 млн руб.). Самая мощная из представленных — модель Triangulum. Ее энергопотребление составляет 300 Вт. У этого компьютера есть порт для программирования, а его квантовые схемы можно настраивать. Стоимость этой модели — $58 тыс. (более 4 млн руб.).
Базируется работа настольного квантового ПК на технологии ядерного магнитного резонанса, при котором реализуется захват молекул диметилфосфита (вещества используемого в компьютере SpinQ) мощным магнитным полем и осуществляется воздействие на них радиоволновыми импульсами, изменяющими спины отдельных атомов вещества. При этом атомы переходят в новое состояние, что аналогично переключению 1 или 0 в обыкновенных компьютерах. Изменение спина атома позволяет изменять спины соседних атомов, что создает условие для проведения математических операций.
В компьютере SpinQ используется постоянны магнит способный генерировать магнитное поле силой до Тл (тесла), что в десятки тысяч раз больше силы магнитного поля Земли. Технология была известна еще в конце прошлого века и использовалась для получения медицинских снимков. Однако тогда магнитные поля достаточной мощности могли быть созданы только с использованием сверхпроводящих магнитов, что значительно повышало стоимость устройств и увеличивало их массу и габариты. На сегодня задача решается с использованием мощных постоянных магнитов.
Малая вычислительная мощность позволяет SpinQ выполнять только несколько типичных квантовых операций, например, реализовать быстрый поиск в базе данных или версию алгоритма Гровера. Для учебных целей - демонстрации студентам основ квантовых вычислений и принципов работы квантовых компьютеров, такой мощности достаточно. Однако эти устройства никогда не сравнятся по мощности с квантовыми компьютерами, используемыми Google, IBM или Microsoft.
Сейчас будет пост про квантовые кампуктеры. Если что, я далеко не эксперт в данной области (я и с обычной-то техникой не особо дружу), и в комментариях меня можно и нужно поправлять. Сам пост написан ради вопроса в конце — если хоть кто-то понимает, как конкретно работает то, о чём я спрошу, то… Короче, я знаю, что на Пикабу обитают головастые ребята и девчата; объясните, пожалуйста, Серёже данный вопрос, мне пригодится для книжки. А ниже я распишу своё понимание.
Итак, у нас есть квантовый компьютер. Он уже существует, однако с ним крайне сложно работать, поскольку в нём от малейших внешних воздействий накапливается огромное количество ошибок, и никто не знает пока, что с этим делать. В Китае вон учёные как-то худо-бедно производят на нём вычисления, и он реально вычисляет невероятно быстро, быстрее самого мощного суперкомпьютера, работающего на обычной двухбитной системе, только вот приходится каждый раз эти вычисления за ним перепроверять, и он практически всегда работает с погрешностью.
Если совсем несведущим охота понять сам принцип работы квантового компа, то вкратце:
Вот у меня стоит дома обычный двухбитный кампуктер, его два бита — это два состояния, включено и выключено, единица и ноль, с помощью которых и производятся все вычисления в системе. Их можно производить быстрее, если нарастить мощность "железа" (воткнуть себе в системник продвинутый процессор, оперативку и т.д.), однако рано или поздно, наращивая мощность, ты уткнёшься в ограничения самого "железа" — именно поэтому все так носятся вокруг процессоров, которые становятся всё меньше и меньше размером. Проблема в том, что теперь уменьшать процессоры тупо некуда, инженеры уже чуть ли не на атомном уровне пытаются их усовершенствовать. Чтоб вы понимали, самый маленький из существующих на данный момент процессоров имеет объём 0,04 кубических миллиметра.
Здесь зашифровано "вы тупые кожаные мешки"
Однако есть другая мето́да ускорить вычисления, и называется она — Её Величество Квантовая Механика. Как всегда, поначалу вообще была голая теория — после появления самого понятия квантмеха учёным Ричарду Фейнману и Юрию Манину пришла в голову идея квантового компьютера. Позднее был написан алгоритм Шора, созданы первые прототипы, а в 2019-ом году компания Google продемонстрировала так называемое "квантовое превосходство", то есть произвела на своём квантовом компе расчёты, недоступные классическим суперкомпьютерам на двухбитной системе. Словом, всё это — не просто словоблудие, а вполне себе рабочая технология, которой занимаются в том числе в России, а конкретно в ФИАН и МФТИ.
Но как это работает?
Если я начну здесь рассказывать про квантовую механику, двухщелевой эксперимент и прочее-прочее, то получится не пост, а целый ПОСТИЩЕ, поэтому ограничусь баянистым и всем уже приевшимся котом. Только котом непростым, а котом Шрёдингера.
Надеюсь, все слыхали про этот мысленный эксперимент? Ну про блохастика в коробке, который жив и мёртв одновременно до тех пор, пока коробку не откроет сторонний наблюдатель. Слышали же, да?..
Так вот, в мысленном эксперименте Шрёдингера скрытый от наблюдателя кот может быть и жив, и мёртв, а также он может быть ОДНОВРЕМЕННО живым и мёртвым — в этот момент наш Барсик находится в так называемом состоянии суперпозиции. Точно так же, если перекладывать этот мысленный эксперимент на принцип работы компьютерных систем, то у нас может быть два бита (единица и ноль, вкл/выкл), а кубит — это то самое состояние суперпозиции, то бишь по сути дела кубит — это буквально НЕСУЩЕСТВУЮЩИЙ В НАШЕЙ РЕАЛЬНОСТИ ТРЕТИЙ БИТ ИНФОРМАЦИИ.
И откуда он вдруг, падла такая, взялся — решительно непонятно, но он, сука, есть!
А если у нас есть три бита вместо двух, то и вычисления с их помощью можно производить куда быстрее, при этом не заморачиваясь с уменьшением и улучшением "железа". Причём добавление этого третьего бита меняет скорость вычислений в геометрической прогрессии, повышает её не в два, не в три и даже не в десять, а в миллиарды раз. Даже сейчас на несовершенных квантовых компах уже производят такие операции, на которые лучшему в мире двухбитному компьютеру понадобились бы тысячи лет. Но, повторюсь, эта технология ещё очень несовершенна, поэтому их и не используют повсеместно. К тому же дорогие они…
Теперь отвлечёмся ненадолго и вернёмся к нашему живому/мёртвому Барсику в коробке. Точно так же, как на состояние суперпозиции кота влияет внешний фактор (наблюдатель) – на суперпозицию квантового компьютера аналогичным образом влияют различные факторы из внешнего мира.
Главный недостаток устройства заключается в том, что он выходит из строя и начинает генерить ошибки от любых внешних воздействий — шума, света, вибрации и т.д. Стоит незадачливому исследователю громко пёрнуть около этого чуда техники, и оно непременно выйдет из строя. И это я не шучу сейчас, действительно громким пердежом можно нарушить чистоту эксперимента и вывести наш крутой камплюктер из состояния суперпозиции. На какой-то фотографии из китайской лаборатории я видел, что инженеры ходят около компа (напоминающего, кстати, огромную люстру) в спецодежде, респираторах и мягких тапочках, причём ходят буквально на цыпочках и боятся даже чихнуть ненароком, а то вдруг там всё поломается нахрен. Иначе говоря – кот станет либо живым, либо мёртвым, и смысла от него уже не будет никакого при обоих исходах, карета превратится в тыкву, а навороченный суперкомпьютер станет просто красивой люстрой с мигающими гирляндами.
Вот такой он, квантовый комплюдахтер...
И вот знаете, я вроде бы сверху всё просто и понятно расписал, но сам, погружаясь в тему, я понимаю только одно – что я нихрена не понимаю.
Откуда вообще берётся кубит? Как его вводят в состояние квантовой запутанности? Это что, чистая математика или они как-то применяют двухщелевой эксперимент, и именно поэтому китайский Цзючжан называется фотонным компьютером? Каким образом производят эти вычисления? Условно говоря, обычный компьютер, если у тебя стоит пароль в двоичном коде, пытается решить его как-то так: 01011001, и обычный комп такой: «ага, сначала или 01, или 10, затем или 01, или 10 и т.п.» А кубитный одновременно проверит оба варианта и предложит им связку с третьим. И так далее, по нарастающей. И очень быстро. И всё благодаря квантовой запутанности, когда проходят неимоверно огромные массивы данных через женскую интуицию типа «ну не знаю, как-то так, оно само собой получилось, но ответ-то верный!»
КАК ЭТО ВООБЩЕ, СУКА, РАБОТАЕТ, ОБЪЯСНИТЕ МНЕ, ПОЖАЛУЙСТА!
Если вам понравился данный пост, то можете подписаться на аккаунт или моё сообщество в ВК, там куда больше текстов про всё на свете: Artificial Intelligence
В день рождения Константина Эдуардовича Циолковского, 17 сентября, отмечается Всероссийский день физики. В честь праздника расскажем о самых ярких прорывах в науке последних лет, которые приближают нас к пониманию загадочных процессов во Вселенной и создают новые возможности для развития передовых технологий.
Константин Циолковский в своей мастерской, г. Калуга
Новые данные о тёмной энергии
Один из самых больших проектов современной астрономии — спектроскопический обзор DESI — создал самую подробную трёхмерную карту Вселенной, которая охватывает миллионы галактик и квазаров и показывает, как космос менялся за миллиарды лет. Одним из важнейших достижений стало уточнение свойств тёмной энергии: новые наблюдения за галактическими скоплениями позволили сузить пределы, в которых она действует, а значит, учёные получили более точные знания о расширении Вселенной.
Стандартная модель современной космологии считает тёмную энергию «постоянной» силой, обеспечивающей расширение Вселенной. Однако огромный набор данных, полученных в проекте DESI, указывает на возможные отклонения от этой модели. Накопление данных продолжается и, если это полностью подтвердится, физикам придётся пересмотреть космологическую модель. По сути, мы стоим перед возможностью переписать представления о том, как будет развиваться Вселенная.
Самая крупная на сегодняшний день трехмерная карта Вселенной. Земля — в центре
Бозон Хиггса распадается…
После открытия бозона Хиггса в 2012 году учёные активно исследуют его свойства. Физики коллаборации ATLAS представили на конференции EPS-HEP 2025 новые результаты по двум исключительно редким распадам бозона Хиггса. В первом случае, распад на пару мюонов (H → μμ). Несмотря на свою редкость – всего в 1 из 5000 распадов Хиггса – этот процесс предоставляет наилучшую возможность для изучения взаимодействия Хиггса с фермионами второго поколения и проливает свет на происхождение массы в разных поколениях. Второе исследование посвящено распаду бозона Хиггса на Z-бозон и фотон (H → Zγ), где Z-бозон впоследствии распадается на пары электронов или мюонов. Он особенно интересен, поскольку происходит через промежуточную «петлю» виртуальных частиц. Если будет точно доказано, что новые частицы вносят вклад в эту петлю, этот процесс может пролить свет на физику за пределами Стандартной модели.
Выглядит распад как-то так
Чёрные дыры и гравитационные волны
Продолжается развитие гравитационно-волновой астрономии. Чувствительные инструменты обсерваторий LIGO, Virgo и KAGRA фиксируют гравитационные волны — метрики искажения нашего пространства, рождающиеся в далеких астрофизических процессах.
В 2023 году эти лаборатории зафиксировали слияние самых массивных черных дыр за историю наблюдений: слились черные дыры массой более 100 солнц каждая. Такие объекты слишком велики для привычных сценариев эволюции звезд. Это не только редкие события, но и начало полноценной статистики: мы начинаем видеть «популяции» чёрных дыр и нейтронных звёзд, а значит — можем проверять теории их происхождения. Но, конечно, требуется еще много исследований.
Чёрные дыры и гравитационные волны
Продолжается развитие гравитационно-волновой астрономии. Чувствительные инструменты обсерваторий LIGO, Virgo и KAGRA фиксируют гравитационные волны — метрики искажения нашего пространства, рождающиеся в далеких астрофизических процессах.
В 2023 году эти лаборатории зафиксировали слияние самых массивных черных дыр за историю наблюдений: слились черные дыры массой более 100 солнц каждая. Такие объекты слишком велики для привычных сценариев эволюции звезд. Это не только редкие события, но и начало полноценной статистики: мы начинаем видеть «популяции» чёрных дыр и нейтронных звёзд, а значит — можем проверять теории их происхождения. Но, конечно, требуется еще много исследований.
К загадкам Вселенной смело можно отнести и квантовый мир. Что особенно приятно, российские учёные в этой сфере показывают мировой уровень исследований. В 2016 году Минобрнауки России, ГК Росатом и Фонд перспективных исследований дали старт глобальному проекту «Лиман» по разработке технологии обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов. По сути, с него началось развитие квантовых технологий в стране. Исполнители проекта — консорциум ведущих российских вузов (НИТУ МИСИС, МФТИ, НГТУ, МГТУ им. Н.Э. Баумана), ИФТТ РАН, Российский квантовый центр и ВНИИА им. Н.Л. Духова.
В 2019 году в России заработал первый прототип квантового компьютера. Устройство было создано на двух кубитах из сверхпроводящих материалов, что дало ему ряд преимуществ перед зарубежными аналогами на атомах и ионах. В ходе испытаний прототип успешно выполнил алгоритм Гровера — один из базовых квантовых алгоритмов поиска — и показал результат выше прогнозируемого порога точности: 53% против ожидаемых 50%.
Криостат, часть системы охлаждения российского квантового процессора
НИТУ МИСИС оказался одним из флагманов этого проекта, имея богатый задел в области сверхпроводимости. В частности, в течение 25 лет (с 1975 по 1991) кафедру теоретической физики в университете возглавлял будущий лауреат Нобелевской премии Алексей Алексеевич Абрикосов — выдающийся теоретик, объяснивший, как магнитные поля проникают в сверхпроводники.
Эксперимент с 8-кубитным процессором
В 2023 году учёные НИТУ МИСИС совместно с Российским квантовым центром и МФТИ провели первый в стране эксперимент с квантовым процессором, содержащим 8 сверхпроводниковых кубитов-трансмонов. Это устройство стало важной вехой: впервые в России был достигнут квантовый объём такого масштаба, а точность выполнения двухкубитных операций превысила 95%. Конструкция процессора оказалась инновационной: кубиты концентрической формы и перестраиваемые элементы связи позволили гибко управлять взаимодействием и минимизировать утечки квантового состояния. По точности операций российская разработка превзошла даже ряд зарубежных систем с куда большим числом кубитов, включая 80-кубитный процессор Rigetti. А уже в 2024 году количество кубитов в процессоре МИСИС было удвоено.
8-кубитный квантовый процессор, представленный в НИТУ МИСИС спустя 7 лет после старта проекта «Лиман»
50-кубитный квантовый компьютер
В 2024 году в России был создан первый 50-кубитный ионный квантовый компьютер. Проект реализовали ФИАН и Российский квантовый центр всего за четыре года — это мировой рекорд по срокам. Система основана на управлении ионами иттербия в ловушке и уже показала стабильную работу всех кубитов. Такой масштаб позволяет решать пробные практические задачи, недоступные классическим суперкомпьютерам, в частности моделировать молекулы и оптимизировать сложные процессы.
Квантовая связь для критической инфраструктуры
В конце 2024 года «Ростелеком» и «ИнфоТеКС» провели успешные испытания квантовой защиты данных в волоконно-оптических DWDM-сетях. В отличие от традиционного шифрования, которое может быть взломано будущими квантовыми компьютерами, в основе безопасности новой системы лежат фундаментальные законы квантовой механики: любое вмешательство в канал автоматически изменяет сигнал и становится заметным. Испытания на линии до 40 километров доказали, что квантовая криптография уже готова к практическому применению, в частности, в энергетике, банковской сфере и на объектах государственного значения.
Подводя итоги, можно с уверенностью сказать: мы живем в эпоху великих астрономических и квантовых открытий. Наше понимание Вселенной всё менее интуитивно и всё более опирается на факты. Эти фундаментальные прорывы не остаются отвлечёнными теориями — они уже сегодня трансформируются в технологии, которые определят наше будущее. Например, квантовый компьютер перестал быть фантастикой. Он стал инженерной задачей, и Россия уверенно занимает лидерское место в этой гонке, демонстрируя мировые достижения в области квантовых вычислений и защищённой связи.
Ученые из Университета Южной Калифорнии предложили элегантное решение одной из главных проблем на пути к созданию мощного квантового компьютера. Они теоретически описали новую квазичастицу, названную «неглектон», которая способна превратить высокостабильные, но ограниченные в функциональности топологические кубиты в универсальный вычислительный инструмент.
Проблема заключалась в том, что самый перспективный тип топологических кубитов, «изинговские анионы» — устойчив к внешним помехам, но позволяет выполнять лишь ограниченный набор логических операций. Этого недостаточно для решения произвольных задач, что делало невозможным создание на их основе универсального квантового компьютера. Исследователи математически доказали, что добавление в систему всего одной неподвижной частицы-неглектона снимает это фундаментальное ограничение.
Название «неглектон» происходит от английского слова neglect (пренебрегать), поскольку частица возникает в сложных математических теориях, где подобные объекты ранее считались бесполезными и отбрасывались. Теперь же ученые видят в этом «математическом мусоре» ключ к прорыву. Вычисления в такой системе должны производиться путем «запутывания» траекторий анионов вокруг статичного неглектона.
Хотя неглектон пока существует лишь на бумаге, это открытие открывает новое направление для экспериментальной физики. Следующим шагом станет поиск или создание материала, в котором можно было бы физически реализовать и удержать эту частицу. Если это удастся, человечество может оказаться на пороге создания отказоустойчивых квантовых компьютеров, способных решать сложнейшие задачи.
Физики из Еврейского университета Иерусалима и Корнелльского университета разработали метод защиты квантовых состояний от внешних помех с помощью одного лазерного луча.
Релаксация спинов щелочных металлов и компенсация светового сдвига. Автор: Авраам Берреби и др.
Исследователи обнаружили простой, но мощный способ защиты атомов от потери информации – важнейшей помехи при разработке надежных квантовых технологий.
В квантовых сенсорах и системах памяти атомы постоянно теряют свою магнитную ориентацию или "спин" при столкновениях друг с другом или со стенками контейнера. Это явление серьезно ограничивает производительность и стабильность квантовых устройств. Традиционные методы защиты спинов требуют экстремально низких температур и мощных магнитных экранов, а это очень дорого.
Новый метод полностью обходит эти ограничения. Вместо мощного магнитного экрана он использует свет для тонкого смещения энергетических уровней атомов, выравнивая спины и поддерживая их синхронизацию даже при движении и столкновениях. Это создает устойчивое спиновое состояние, защищенное от потери информации.
В лабораторных экспериментах с паром цезия метод снизил рассогласование спина в 10 раз. Новый метод значительно улучшает работу устройств, основанные на атомных спинах: квантовых сенсоров и магнитометров для медицинской визуализации, археологии и космических исследований; точных навигационных систем, не зависящие от GPS; квантовых информационных платформ, где стабильность спина критична для хранения и обработки информации.
Поскольку метод не требует экстремального охлаждения и магнитных экранов, он дешевле и практичнее для реальных применений, чем существующие решения.
Квантовые компьютеры уже давно перестали быть элементом научной фантастики. Ведущие мировые корпорации и лаборатории вкладывают миллиарды в их разработку, обещая нам революцию в медицине, создании новых материалов и даже в финансовой оптимизации. Но на пути к этому светлому будущему стоит одна фундаментальная проблема, известная как декогеренция. Представьте, что квантовая информация — это хрупкий мыльный пузырь: он переливается всеми цветами радуги, но исчезает от малейшего прикосновения.
И вот, учёные, кажется, смогли поймать за руку одного из главных «вредителей», который лопает эти пузыри. Впервые в истории исследователи смогли не просто догадаться о его существовании, а буквально увидеть его.
Ахиллесова пята квантового мира.
Чтобы понять масштаб прорыва, нужно разобраться с врагом. В мире сверхпроводящих квантовых схем — это одна из самых популярных и перспективных технологий — главным источником головной боли являются так называемые дефекты двухуровневых систем (ДУС).
Что это такое? Если говорить просто, это крошечные, микроскопические несовершенства в материалах, из которых сделана сама схема. Они ведут себя как микроскопические переключатели, которые хаотично меняют своё состояние. Эти «переключатели» создают электромагнитный «шум», который разрушает хрупкое квантовое состояние кубита — базовой ячейки квантового компьютера. Это и есть декогеренциямира.
Учёные знали об этих коварных дефектах более полувека. Они были как призраки: их присутствие ощущалось по последствиям — сбоям и ошибкам в вычислениях, — но никто не мог увидеть отдельного «призрака» и понять, как именно он портит всю картину. Это все равно что пытаться найти одну неисправную лампочку в гирлянде длиной в километр, не имея возможности включить её и посмотреть, какая не горит.
Это не просто микроскоп в привычном нам понимании. Это сложнейшая установка, которая объединяет передовые методы микроскопии и работающую квантовую схему. Чтобы избавиться от любых посторонних помех, всю систему поместили в абсолютно тёмную, светонепроницаемую камеру и охладили до температуры, лишь ненамного превышающей абсолютный ноль (-273,15 °C). Зачем такие сложности? При такой температуре замирает почти любое тепловое движение атомов. Это создает идеальную «тишину», в которой можно услышать (а в данном случае — увидеть) шёпот одного-единственного дефекта.
Экспериментальная установка для визуализации TLS. (A) Схема нашей установки, показывающая острый зонд над работающей схемой, в которой находятся дефекты TLS. Дипольный момент TLS p⃗ связывается со схемой через микроволновое электрическое поле E⃗_mw. Зонд используется как для AFM-визуализации, так и для приложения локализованных электрических полей E⃗_DC. (B) Оптическое изображение сверхпроводящего подвесного резонатора 3λ/4, сформированного на плёнке NbN толщиной 40 нм на сапфире, который использовался в нашем исследовании. За более подробной информацией о топологии образца обратитесь к Дополнительным материалам. Жёлтый прямоугольник указывает на область сканирования. На врезке показана амплитуда микроволнового напряжения вдоль резонатора. (C) Широкоформатные топографические AFM-изображения работающей схемы, полученные в области, указанной чёрным квадратом в (B). Изображения получены при работе контура пропорционально-интегрально-дифференциального (PID) регулирования, поддерживающего постоянный сдвиг частоты за счёт изменения расстояния между зондом и образцом. (D) AFM-изображение с более высоким разрешением, полученное при 200 мК, на котором видны встречно-штыревые конденсаторы внутри резонатора. (E) Пример коэффициента микроволновой передачи S21(f), измеренного между портами, отмеченными как 1 и 2 в (B), вблизи резонансной частоты схемы f_res. Для обнаружения TLS во время сканирования используется гетеродинная схема считывания, которая измеряет передачу на частоте f_readout, незначительно отстроенной от f_res. (F) Обнаружение TLS. Сигнал передачи S21(f_readout) [цветовая шкала в произвольных единицах (a.u.)] как функция положения зонда выявляет яркий контур, соответствующий постоянному электрическому полю от зонда в месте расположения TLS в центре. Данные были получены при Z_tip = 15 мкм и V_tip = -10,25 В. Подробности см. в ориг. тексте. Цитирование: Marius Hegedüs et al., In situ scanning gate imaging of individual quantum two-level system defects in live superconducting circuits.Sci. Adv.11,eadt8586(2025).DOI:10.1126/sciadv.adt8586 Источник.
Круги на воде: что увидели учёные?
Когда исследователи включили свой прибор, они увидели нечто поразительное. Доктор Риджу Банерджи, один из авторов работы, описал это так, словно по поверхности схемы «плещется какая-то шумная жидкость». А на фоне этого «шума» проявились чёткие кольца, похожие на круги на воде от брошенного камня.
Каждый такой круг — это и есть визуальный след одного дефекта ДУС. Это его «отпечаток», который он оставляет, взаимодействуя с квантовой схемой. Впервые учёные смогли не просто сказать «где-то здесь есть проблема», а указать пальцем: «Проблема вот здесь, и выглядит она вот так».
Это меняет правила игры. До этого момента исследователи работали со статистикой — они знали, что в среднем на квадратный микрометр приходится столько-то дефектов. Теперь они могут изучать каждый из них индивидуально.
Детальное рассмотрение TLS.** (A и B) Изображения крупным планом кольца TLS полученные при (A) Z_tip = 10 мкм и (B) Z_tip = 5 мкм. (C и D) Два других TLS, обнаруженных в ином месте образца; оба изображения получены при Z_tip = 6 мкм. Обратите внимание на эллиптическую форму контуров на (A)-(D), чьи малая и большая оси (r_a и r_b соответственно) отмечены двусторонними стрелками. Контуры выглядят круглыми для дипольных моментов TLS, направленных преимущественно перпендикулярно поверхности образца, как, например, большое кольцо на (D). (E) H, большая и малая оси всех трёх эллипсов линейно сжимаются или расширяются в зависимости от приложенного к зонду напряжения. Прямые линии представляют собой линейную аппроксимацию данных. Из линейных аппроксимаций мы определяем, что соотношения их малой/большой осей (r_a/r_b) составляют: r_a/r_b = 0.95 для (A), 0.8 для (B), 0.8 для (C) и 0.9 для (D). Цитирование: Marius Hegedüs et al., In situ scanning gate imaging of individual quantum two-level system defects in live superconducting circuits.Sci. Adv.11,eadt8586(2025).DOI:10.1126/sciadv.adt8586 Источник.
От диагноза к лечению: что дальше?
Возможность видеть врага в лицо — это первый и самый важный шаг к победе над ним. Теперь, когда у учёных есть этот уникальный инструмент, открывается дорога к следующим этапам:
Идентификация.
Можно изучить химическую природу этих дефектов. Из каких именно атомов или молекулярных групп они состоят? Поняв это, инженеры смогут изменить технологию производства материалов, чтобы таких «вредителей» в них просто не появлялось.
Нейтрализация.
Возможно, получится найти способ «отключать» эти дефекты прямо в готовой схеме, не давая им влиять на кубиты.
Как метко выразился доктор Себастьян де Грааф, ещё один ведущий учёный проекта, «теперь у нас есть новый инструмент, с помощью которого мы можем гораздо больше узнать об этих неприятных дефектах».
Это исследование не обещает нам квантовый компьютер на столе уже завтра. Но оно устраняет одно из самых фундаментальных и давних препятствий на пути к его созданию. Это кропотливая работа по очистке «строительной площадки» для технологий будущего. И впервые за долгие годы у инженеров появился не просто план, а карта, на которой отмечены все ловушки и ямы. А это значит, что стабильные и по-настояшему мощные квантовые компьютеры стали ещё на один большой шаг ближе.
Учёные из Австралии разработали революционный квантовый управляющий чип, который устраняет одно из ключевых препятствий на пути к созданию практичных и мощных квантовых компьютеров. Эта технология, над которой работали более десяти лет, впервые позволяет разместить миллионы кубитов и их сложные системы управления на одном устройстве.
Главное достижение заключается в том, что новый чип может работать при криогенных температурах, близких к абсолютному нулю (около -273,15 °C). Что особенно важно, его можно разместить в непосредственной близости от кубитов, не нарушая их хрупкое квантовое состояние.
«Работа над этим результатом велась более десяти лет, мы накапливали знания для проектирования электронных систем, которые рассеивают крошечное количество энергии и работают при температурах, близких к абсолютному нулю», — заявил ведущий исследователь Дэвид Рейли, профессор Сиднейского университета.
Это открытие является «жизненно важным доказательством принципа» для интеграции квантовых и классических компонентов в одном чипе — важнейший шаг к созданию масштабируемых процессоров, необходимых для превращения квантовых вычислений в реальность.
Что такое кубиты и в чем сложность?
Кубиты — это квантовый эквивалент двоичных битов, используемых в современных компьютерах. Однако, в отличие от классического бита, который может представлять либо 0, либо 1, кубит может находиться в «суперпозиции» обоих состояний одновременно. Это позволяет квантовым компьютерам выполнять множество вычислений параллельно, решая задачи, которые недоступны даже самым мощным суперкомпьютерам.
Особый интерес у учёных вызывают так называемые «спиновые кубиты», которые кодируют информацию в спиновом состоянии электрона. Их преимущество в том, что для их создания можно использовать технологию КМОП (CMOS) — ту же, что и при производстве чипов в современных смартфонах и ПК. Это теоретически значительно упрощает их массовое производство.
Однако спиновые кубиты чрезвычайно чувствительны. Для сохранения их квантовых свойств (когерентности) требуется охлаждение до температур ниже 1 кельвина (чуть выше абсолютного нуля). Проблема заключалась в том, что любая управляющая электроника, размещённая рядом, выделяет тепло и создаёт электрические помехи, которые мгновенно разрушают квантовое состояние.
Решение найдено
Новый чип, созданный австралийскими учёными, решает эту проблему. Он специально разработан для работы в криогенных условиях с ультранизким энергопотреблением. В ходе тестов исследователи разместили управляющий чип менее чем в миллиметре от кубитов. Чип не вызвал измеримого электрического шума и не привёл к снижению точности, стабильности или когерентности кубитов. При этом общее энергопотребление чипа составило всего 10 микроватт.
«Это подтверждает надежду на то, что кубитами действительно можно управлять в больших масштабах, интегрируя сложную электронику при криогенных температурах», — сказал Рейли. — «Это перенесёт нас из области, где квантовые компьютеры являются лишь увлекательными лабораторными машинами, на этап, где мы сможем начать открывать реальные проблемы, которые эти устройства могут решить для человечества».
Это достижение может открыть дорогу к созданию процессоров с миллионами кубитов и ускорить появление по-настоящему полезных квантовых компьютеров.
Статья - перевод оригинальной статьи автора Оуэн Хьюз, автор перевода - Абу-ль-Хайр Ашхад Тайсир Дейвит Хаз Рашид бин Ахмад аль-Кувейти.
