Впервые показан главный враг квантовых компьютеров: Как выглядят дефекты, тормозящие прогресс?
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.
Микроскоп для призраков: как это работает?
И вот здесь начинается самое интересное. Команда из Национальной физической лаборатории Великобритании (NPL) вместе с коллегами из Швеции и Лондона создала инструмент, который позволил совершить невозможное. Они, по сути, построили «микроскоп для призраков».
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.
Источник: IXBTIXBT live
