Полный выпуск подкаста «Горизонты событий» с Мариной Петраковой о кубитах, сверхпроводниках, криостатах, шуме, квантовой химии и реальных ограничениях квантовых компьютеров.
На фотографиях квантовый компьютер часто выглядит не как компьютер, а как золотая люстра из трубок, кабелей и металлических дисков. Это не декорация. Для сверхпроводниковых кубитов нужна температура в десятки милликельвинов — всего на крошечную долю градуса выше абсолютного нуля.
Зачем так холодно? Потому что квантовые состояния очень хрупкие. Тепло, электромагнитные шумы и дефекты материалов могут разрушить состояние кубита раньше, чем он успеет выполнить полезную операцию.
Сверхпроводники — не единственный путь
Важно сразу уточнить: не все квантовые компьютеры устроены одинаково. Есть платформы на ионах, фотонах, нейтральных атомах, спиновых кубитах и сверхпроводниковых схемах. Именно сверхпроводниковые процессоры чаще всего требуют огромных криостатов и температур порядка 10-20 милликельвинов.
В сверхпроводниковом кубите используется микросхема с джозефсоновским переходом. Это структура «сверхпроводник — изолятор — сверхпроводник». Благодаря ей схема получает нелинейность и дискретные энергетические уровни, которые можно использовать как состояния 0 и 1.
Но чтобы эти уровни не размывались тепловым шумом, систему приходится охлаждать почти до абсолютного нуля. Даже один кельвин для таких задач может быть слишком «горячим».
Что делает криостат
Криостат растворения — это машина для получения сверхнизких температур. Он охлаждает чип не просто «посильнее», а поэтапно: от комнатной температуры к кельвинам, затем к милликельвинам. Внизу такой установки находится зона, где размещается квантовый процессор.
Но охлаждение — только часть истории. К кубитам нужно подвести управляющие сигналы, а затем считать результат. Для сверхпроводниковых процессоров это обычно микроволновые импульсы. Они идут по кабелям от комнатной электроники вниз в холодную часть криостата.
И тут возникает инженерный парадокс: чем больше кубитов, тем больше линий управления, а каждая линия приносит тепло и шум. Получается, что масштабирование упирается не только в производство чипов, но и в архитектуру всей системы вокруг них.
Почему нельзя просто добавить больше проводов
Если для одного кубита нужны линии управления и считывания, то для сотен и тысяч кубитов эта инфраструктура становится огромной. Кабели занимают место, нагревают холодную область, добавляют наводки и усложняют калибровку.
Поэтому одна из больших инженерных задач — перенести часть управляющей электроники ближе к криогенной зоне. Развиваются подходы вроде cryo-CMOS и сверхпроводниковой цифровой электроники, где сигналы формируются не только при комнатной температуре.
В выпуске Марина Петракова рассказывает и про альтернативную идею: вместо плавного микроволнового управления использовать короткие цифровые импульсы, которые «подталкивают» состояние кубита в нужные моменты. Смысл тот же — выполнить квантовую операцию, но потенциально упростить управляющую инфраструктуру.
Холод — это не прихоть, а цена точности
Квантовому компьютеру нужна точность. Если операция срабатывает как монетка 50 на 50, это не вычислитель, а генератор случайности. Поэтому исследователи борются за высокую достоверность одно- и двухкубитных операций.
Сверхнизкие температуры помогают уменьшить тепловые возбуждения и продлить время, в течение которого кубит ведёт себя как управляемая квантовая система. Но они не решают всё. Остаются дефекты материалов, шумы считывания, утечки на лишние уровни, паразитные двухуровневые системы в подложке и сложность калибровки.
Поэтому квантовый компьютер — это не только «чип с кубитами». Это криогеника, микроволновая электроника, материалы, алгоритмы, теория ошибок, программирование и огромная инженерная дисциплина вокруг.
Как вам кажется, что сложнее: создать сами кубиты или построить всю систему управления вокруг них?
Съёмка выпуска проходила в студии CastPoint.ru. Благодарим за предоставленное помещение.