Квантовые компьютеры до сих пор строились по принципу «чем экзотичнее материал, тем лучше»: сверхпроводящие контуры при температуре холоднее космоса, ловушки из отдельных ионов, фотонные схемы. Кремний — материал, на котором работает вся классическая электроника, — считался для квантовых вычислений перспективным, но недозрелым: слишком шумный, слишком нестабильный, неспособный к полноценной коррекции ошибок. Команда из Шэньчжэньской международной квантовой академии только что доказала, что это не так.
Исследователи представили первый в мире кремниевый квантовый процессор, в котором реализована встроенная система обнаружения и исправления ошибок — функция, без которой квантовые вычисления остаются лабораторной игрушкой, а не рабочим инструментом.
Почему коррекция ошибок — это всё
Кубит — квантовый аналог классического бита — существо капризное. Любое внешнее воздействие (тепловая флуктуация, электромагнитная наводка, вибрация) может разрушить его квантовое состояние и превратить результат вычисления в бессмыслицу. Этот процесс называется декогеренцией, и именно он остаётся главным барьером на пути к практическим квантовым компьютерам.
Решение, к которому индустрия движется последние двадцать лет, — квантовая коррекция ошибок. Идея в том, чтобы объединить несколько физических кубитов в один «логический» кубит, способный самостоятельно обнаруживать сбои и восстанавливать корректное состояние. До сих пор полноценная коррекция ошибок демонстрировалась только на сверхпроводящих платформах (Google, IBM) и ионных ловушках (Quantinuum). Кремний оставался за бортом — считалось, что его шумовые характеристики не позволяют достичь необходимой точности.
Что сделали китайские учёные
Прорыв стал возможен благодаря ювелирной работе на атомарном уровне. Исследователи разместили атомы фосфора в кристаллической решётке кремния с точностью до отдельного атома. Каждый такой атом-примесь формирует кубит, а окружающая кремниевая матрица служит средой, в которой этот кубит существует и взаимодействует с соседями.
Архитектура коррекции устроена элегантно: четыре физических кубита объединены в два логических элемента. Эти пары работают как самопроверяющийся механизм — фиксируют ошибки, вызванные внешними помехами или внутренней интерференцией, и компенсируют их без вмешательства оператора. На таком чипе удалось выполнить полный набор логических операций — результат, который ранее считался недостижимым для кремниевой платформы.
Проверка боем: молекула воды
Чтобы доказать практическую применимость, команда поставила перед чипом конкретную вычислительную задачу — рассчитать энергию основного состояния молекулы воды. Это классический тест для квантовых процессоров: задача достаточно сложна, чтобы быть нетривиальной, но достаточно изучена теоретически, чтобы результат можно было проверить.
Полученный ответ практически совпал с теоретическим расчётом — подтверждение того, что система коррекции ошибок работает не только в лабораторных условиях, но и при решении прикладных задач квантовой химии.
Почему именно кремний меняет всё
Сверхпроводящие кубиты Google и IBM — мощные, но требуют охлаждения до 15 милликельвинов (тысячных долей градуса выше абсолютного нуля). Криостаты для них стоят миллионы долларов, занимают целые комнаты и потребляют значительную мощность. Масштабирование — главный кошмар инженеров: каждый новый кубит усложняет и без того громоздкую криогенную инфраструктуру.
Кремний обещает принципиально иной путь. Вот почему индустрия следит за каждым шагом в этом направлении:
- мировая сфера полупроводников десятилетиями оттачивала технологии работы с кремнием — фабрики, техпроцессы, оборудование, кадры уже существуют;
- кремниевые кубиты значительно компактнее сверхпроводящих, что потенциально позволяет разместить миллионы кубитов на одном чипе;
- интеграция квантовых и классических схем на одной подложке упрощает архитектуру всей системы;
- себестоимость производства при серийном выпуске может оказаться на порядки ниже, чем у сверхпроводящих аналогов.
Если коррекция ошибок на кремнии окажется масштабируемой, а именно это предстоит доказать в ближайшие годы, квантовые вычисления смогут мигрировать с экзотических платформ на привычные полупроводниковые фабрики. Это откроет дорогу к массовому производству квантовых процессоров по технологиям, которые мировая электроника уже освоила.
Что впереди
Разработчики заявляют, что продемонстрированная технология применима к масштабированию квантовых систем и их потенциальному внедрению в дата-центры. Заявление амбициозное — от четырёх кубитов до промышленного квантового процессора дистанция измеряется годами и миллиардами долларов инвестиций. Но направление задано: кремний перестал быть аутсайдером квантовой гонки и впервые вошёл в клуб платформ, способных к самокоррекции.
Для российских специалистов, работающих в области квантовых технологий,а в стране действуют программы по созданию квантовых компьютеров на базе Росатома, РЖД и ведущих университетов — кремниевый путь представляет особый интерес. Именно в кремниевых технологиях у России сохраняется научная школа и производственная база, пусть и не самая передовая. Если квантовое будущее окажется кремниевым, шансы не остаться на обочине этой гонки заметно возрастут.