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 декогеренция.
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.
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.
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.