Миллисекундные кубиты знаменуют собой прорыв в квантовых технологиях.

Прорыв в создании сверхпроводящих кубитов миллисекундного масштаба.

Квантовые компьютеры могут произвести революцию в том, как мы занимаемся криптографией, вычислять сложные модели, такие как трехмерная конфигурация белков, и, вероятно, иметь множество других применений, о которых мы сегодня даже не можем догадываться.

Для функционирования им необходимы максимально стабильные «кубиты» — фундаментальный элемент квантовых вычислений. До сих пор только квантовые компьютеры на основе «захваченных ионов» смогли создать высокостабильные кубиты. Но масштабирование этой технологии по своей природе сложнее, чем масштабирование сверхпроводящих кубитов.

Таким образом, хотя сверхпроводящие кубиты могут быть будущим этой технологии, необходимо улучшить стабильность времени когерентности этих кубитов.

Именно этого добилась большая группа исследователей из Принстонского университета. Они создали тип сверхпроводящих кубитов, способных сохранять когерентность более миллисекунды, что в 3 раза дольше, чем лучший из когда-либо зарегистрированных показателей.

Результаты своих исследований они опубликовали в журнале Nature.¹, под заголовком «Время жизни и когерентность в двумерных трансмонных кубитах измеряются в миллисекундах.».

Предел когерентности кубита

Для выполнения квантовых вычислений квантовому компьютеру необходимо поддерживать «когерентность» — особое квантовое состояние, чрезвычайно уязвимое для помех со стороны окружающей среды. Как правило, тепловой шум и движение частиц разрушают когерентность за наносекунды.

В особых условиях, например, при сверхнизких температурах, время жизни кубита может быть больше. Но всё же достаточно длительная когерентность является серьёзным ограничением для большинства современных квантовых компьютеров, приводя к ошибкам вычислений, которые не только снижают общую вычислительную мощность, но и не могут быть легко компенсированы с помощью обновлений программного обеспечения.

Таким образом, определение того, какой материал способен дольше сохранять когерентность, является ключевым шагом вперед, который необходимо сделать, прежде чем индустрия квантовых вычислений достигнет коммерческого этапа.

«Настоящая проблема, то, что мешает нам сегодня создавать полезные квантовые компьютеры, заключается в том, что при создании кубита информация сохраняется очень недолго».

Это следующий большой шаг вперед.

Эндрю Хоук, декан инженерного факультета Принстонского университета.

Как исследователи расширили когерентность трансмонных кубитов

Исследователи использовали тот же тип сверхпроводящих кубитов, что и компании вроде Google или IBM в своих квантовых компьютерах. tкубиты рансмона.

Трансмонные кубиты обладают преимуществом высокой точности (точность работы однокубитных вентилей превышает 99.9%), возможностью массового производства и высоким временем когерентности в 0.1 миллисекунды.

Это обнадеживает, но время когерентности все еще слишком мало.

Поэтому, когда исследователи из Принстона объявили о создании кубита со средней длительностью 1.68 мс, это стало огромным достижением.

Источник: Природа

Длительность этого кубита в 3 раза больше, чем у лучшего из когда-либо созданных в лаборатории, и в 15 раз больше, чем у кубита, используемого частными компаниями, разрабатывающими квантовые компьютеры.

Почему тантал и кремний улучшают квантовую когерентность

Тантал повышает когерентность

Для достижения этого результата исследователи использовали два различных усовершенствования в применяемом материале.

Во-первых, в качестве базового слоя использовали металл под названием тантал, чтобы помочь хрупким схемам сохранять энергию. Это связано с тем, что крошечные, скрытые поверхностные дефекты в металле могут улавливать и поглощать энергию при его движении.

Это особенно проблематично по мере добавления новых кубитов в чип: этот тип ошибки многократно возрастает, делая чип бесполезным после достижения определенного количества.

Сканирующая просвечивающая электронная микроскопия (STEM) была использована для подтверждения высокой степени упорядоченности кубических кристаллов тантала.

Источник: Природа

По сравнению с такими металлами, как алюминий, тантал имеет гораздо меньше дефектов и обладает высокой устойчивостью к агрессивным процессам очистки, используемым для удаления примесей.

«Тантал можно поместить в кислоту, и его свойства при этом не изменятся».

Фаранак Бахрами – Исследования в Принстонском университете

Выращивание тантала непосредственно на кремнии представляло собой сложную задачу, для преодоления которой потребовались значительные усилия.
Проведите пальцем, чтобы прокрутить →

Кремний заменяет сапфир

Еще одним источником потерь энергии, приводящих к потере когерентности, является сапфировая подложка, используемая в квантовых чипах.

Вместо этого исследователи использовали высококачественный (с высоким сопротивлением) кремний, распространенный стандартный материал в традиционной компьютерной индустрии.

В совокупности эти улучшения в материалах, используемых в данной платформе на основе тантала на кремнии, позволили получить однокубитные вентили с точностью 99.994%.

От лабораторных прорывов до масштабируемых квантовых чипов

Исследователи применили свой метод для создания полностью функционального квантового чипа, превосходящего все предыдущие разработки.

Поскольку частота ошибок носит мультипликативный характер, подобное улучшение масштабируется экспоненциально с размером системы. В результате, 10-15-кратное снижение частоты ошибок для отдельных кубитов оказывает гораздо большее влияние на многокубитный компьютер.

Важно отметить, что такой кубит не является экзотической новой концепцией, а представляет собой просто «традиционный» сверхпроводящий кубит, использующий другой материал, поэтому его можно легко интегрировать в существующие квантовые компьютеры и использовать в существующем программном обеспечении для квантовых вычислений.

«Замена компонентов, разработанных в Принстоне, на лучший квантовый процессор Google под названием Willow позволила бы ему работать в 1,000 раз эффективнее».

Преимущества кубита Принстонского университета экспоненциально возрастают с увеличением размера системы, поэтому добавление большего количества кубитов принесет еще большую пользу».

Эндрю Хоук, декан инженерного факультета Принстонского университета.

Это означает, что разработанная в Принстоне технология может позволить гипотетическому компьютеру с 1,000 кубитами работать примерно в 1 миллиард раз эффективнее.

Более того, использование тантала и кремния означает, что метод производства соответствует тем, которые уже используются в полупроводниковой промышленности, что делает достижение массового производства гораздо более простым, чем внедрение совершенно новой технологии.

Данное исследование, по-видимому, указывает на то, что кремниевые квантовые чипы, что мы обсуждали ранееВероятно, это правильное направление для индустрии квантовых вычислений.

Вместе с более совершенные квантовые источники света, гибридные квантово-фотонные чипы и возможность передачи квантовой информации вместе с обычным телекоммуникационным потоком данныхЭти шаги на пути к созданию гораздо более крупных квантовых компьютеров показывают, что технология быстро достигает коммерческой зрелости.

Инвестиции в инновации в области квантовых вычислений.

1. Алфавит Инк.

Компания Google очень активно занимается квантовыми вычислениями, в основном через свои Лаборатория квантового искусственного интеллекта Google и кампус квантового искусственного интеллекта в Санта-Барбаре..

В 2019 году квантовый компьютер Google вошел в историю, заявив о достижении «квантового превосходства» со своей машиной Sycamore. Машина выполнила вычисление за 200 секунд, на которое обычному суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет.

Теперь это затмевается Производительность новейшего чипа, получившего название Willow, впечатляет.Это первый в мире чип для квантовых вычислений, имеющий настолько низкий уровень ошибок, что чем больше кубитов вы добавляете, тем меньше ошибок вы получаете. Это делает его первой масштабируемой конструкцией квантового чипа.

Но, возможно, наибольший вклад Google будет в разработку программного обеспечения — область, в которой компания имеет впечатляющие достижения, даже более впечатляющие, чем в разработке аппаратного обеспечения (Search, G Suite, Android и т. д.).

Quantum AI от Google уже предлагает набор программного обеспечения, призванного помочь ученым в разработке квантовых алгоритмов.

Он также открыто выступает за «Исследователи, инженеры и разработчики присоединяйтесь к нам в этом путешествии, ознакомившись с нашими программное обеспечение с открытым исходным кодом и образовательные ресурсы, включая наши новый курс на Coursera, где разработчики могут изучить основы квантовой коррекции ошибок и помочь нам создать алгоритмы, способные решать проблемы будущего.

Благодаря этому открытому подходу Google теперь занимает лидирующие позиции как в области аппаратного обеспечения, так и в области облачных решений. Google может стать одной из компаний, устанавливающих стандарты в области программного обеспечения для квантовых вычислений и квантового программирования, что даст ей привилегированное положение для направления дальнейшего развития этой области.

Между тем, решения на основе искусственного интеллекта, включая беспилотные автомобили Waymo, могут стать новым источником дохода для Alphabet, которая по-прежнему занимает доминирующее положение в индустрии поиска и рекламы.

Вы можете узнать больше о деятельности Google, не связанной с квантовыми технологиями, особенно о рекламе и искусственном интеллекте. в нашем специальном отчете от декабря 2024 г..

Последние новости и события, касающиеся акций Alphabet (GOOGL).

Ссылка на исследование:

^{1. Бланд, М.П., ​​Бахрами, Ф., Мартинес, Дж.Г.К. и др. Миллисекундные времена жизни и времена когерентности в двумерных трансмонных кубитах. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}