Миллисекунда, которая перевернула физику: Принстон победил квантовый хаос

Инженеры Принстона сделали шаг, который может изменить траекторию развития квантовых технологий. Им удалось создать новый сверхпроводящий кубит, который сохраняет стабильность втрое дольше, чем лучшие образцы, существовавшие до сих пор. Это открытие не просто улучшение — это фундаментальный скачок к практическим квантовым компьютерам, способным выполнять реальные задачи.

Новая глава в квантовой инженерии

Квантовые вычисления — это сфера, где даже миллисекунды имеют значение. Современные кубиты слишком нестабильны: информация исчезает быстрее, чем успевают завершиться сложные вычисления. Принстонские исследователи решили эту проблему, добившись времени когерентности более 1 миллисекунды — рекордного для сегодняшней науки показателя.

"Настоящая проблема, которая мешает нам сегодня создать полезные квантовые компьютеры, заключается в том, что при создании кубита информация хранится в нём недолго", — сказал декан инженерного факультета Принстона Эндрю Хаук.

Команда не просто доказала устойчивость кубита в лаборатории, но и создала работающий квантовый чип, подтверждающий практическую применимость новой архитектуры. Этот чип способен поддерживать коррекцию ошибок и масштабирование, что открывает путь к системам нового поколения.

Почему это важно

Для квантовых вычислений время когерентности — ключевой параметр. Чем дольше кубит сохраняет квантовое состояние, тем больше операций он может выполнить без ошибок. Это напрямую влияет на производительность процессора и возможность создания устойчивых квантовых систем.
Достижение Принстона стало крупнейшим единичным увеличением времени когерентности за последние десять лет. И особенно важно то, что новая конструкция совместима с архитектурами, применяемыми Google и IBM.

Хаук отметил, что замена некоторых элементов в существующих квантовых процессорах на принстонские аналоги теоретически может увеличить их эффективность в тысячу раз. С увеличением числа кубитов это преимущество только растёт.

Материалы, которые всё изменили: тантал и кремний

Основой прорыва стала работа с материалами. Учёные разработали двухэтапную стратегию:

1. Использовали тантал — металл, который демонстрирует выдающиеся способности к сохранению энергии.

2. Заменили стандартную сапфировую подложку на высокочистый кремний — ключевой материал всей микроэлектроники.

Эта комбинация оказалась не только более стабильной, но и технологически удобной для масштабного производства.

"Наши результаты действительно выводят науку на новый уровень", — отметила соруководитель Принстонской квантовой инициативы Натали де Леон.

Тантал выделяется своей химической стойкостью и низким уровнем дефектов. Эти качества делают его идеальным для сверхпроводящих схем, где малейшие микроскопические дефекты могут нарушить квантовое состояние.

Как тантал помогает кубиту быть стабильным

Производительность квантового компьютера зависит от двух факторов: количества кубитов и числа операций, которые каждый из них может выполнить без ошибок. Повышение стабильности одного кубита увеличивает оба параметра одновременно. Потери энергии — главный враг квантовых систем. Поверхностные дефекты металлов "захватывают" энергию и вызывают сбои. Тантал снижает эту проблему в разы.

Исследователи также выяснили, что сапфировая подложка вызывает нежелательные потери. Замена её на высокочистый кремний устранила этот эффект почти полностью. Совмещение тантала и кремния стало одной из самых успешных комбинаций в истории разработки трансмоновых кубитов.

"Можно поместить тантал в кислоту, и его свойства всё равно не изменятся", — пояснила Фаранак Бахрами, научный сотрудник проекта.

Сравнение технологий

Советы шаг за шагом

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: Использование алюминия и сапфира без очистки от дефектов.
  Последствие: Потери энергии, сокращение времени когерентности.
  Альтернатива: Применение тантала и кремния высокой чистоты.
• Ошибка: Игнорирование взаимодействия материалов при выращивании слоёв.
  Последствие: Повышенная нестабильность кубитов.
  Альтернатива: Оптимизация кристаллических границ и структуры напыления.
• Ошибка: Недооценка роли подложки.
  Последствие: Системные шумы и сбои при масштабировании.
  Альтернатива: Замена сапфировых подложек на кремниевые для снижения потерь.

А что если…

Если заменить алюминий на тантал в промышленных квантовых процессорах, как в архитектуре Google Willow, производительность системы может вырасти в тысячу раз. А при росте числа кубитов — эффект будет экспоненциальным. Таким образом, теоретический компьютер на 1000 кубитов может стать в миллиард раз эффективнее существующих образцов.

Плюсы и минусы новой архитектуры

FAQ

Как выбрать материалы для сверхпроводящих кубитов?
Выбирайте металлы с минимальным количеством дефектов (например, тантал) и подложки с низкими потерями — высокочистый кремний.

Сколько стоит производство одного квантового чипа?
На данный момент лабораторные образцы оцениваются в десятки тысяч долларов, однако серийное производство может снизить стоимость в разы.

Что лучше — тантал или алюминий?
Для современных сверхпроводящих кубитов тантал показывает лучшее время когерентности и устойчивость, хотя алюминий всё ещё дешевле и проще в обработке.

Мифы и правда

Миф: увеличение числа кубитов — главное для квантового прогресса.
Правда: без повышения времени когерентности увеличение числа кубитов не даёт практической выгоды.

Миф: кремний не подходит для квантовой электроники.
Правда: в сочетании с танталом он обеспечивает рекордную стабильность.

Миф: только крупные корпорации могут создавать передовые кубиты.
Правда: университетские лаборатории, как Принстон, двигают науку вперёд не меньше.

3 интересных факта

1. Тантал используется также в производстве микроконденсаторов для смартфонов.

2. Кремний, применённый в проекте, имел чистоту 99.9999999%.

3. Принстонский кубит побил предыдущий рекорд IBM 2020 года более чем в три раза.

Исторический контекст

В 1999 году впервые был создан рабочий сверхпроводящий кубит. В 2007 — появились трансмоновые конструкции, устойчивые к шуму. В 2019 — Google заявила о "квантовом превосходстве". А в 2025 году Принстон установил новый стандарт стабильности, подтвердив, что будущее квантовых вычислений возможно на основе улучшенных материалов и совместных усилий науки и промышленности.