Впервые показан главный враг квантовых компьютеров: Как выглядят дефекты, тормозящие прогресс?

Почему квантовые компьютеры всё ещё глючат: мы наконец увидели главного виновника

Квантовые компьютеры работают? Формально — да. На практике — нестабильно. Главная причина — декогеренция. Звучит сложно, но суть проста: квантовая информация разрушается быстрее, чем мы успеваем с ней работать. Долгое время мы знали, что есть вредители — дефекты двухуровневых систем (ДУС). Но никто их не видел. Просто чувствовали последствия. Теперь — увидели.

Что такое ДУС и почему они всё портят

В сверхпроводящих квантовых схемах кубиты — это крошечные контуры, которые должны сохранять квантовое состояние. Но внутри материалов есть микроскопические дефекты. Они ведут себя как хаотичные переключатели: то включаются, то выключаются. Создают электромагнитный шум. Этот шум разрушает когерентность кубита — и весь расчёт летит к чертям.

Проблема известна с 70-х годов. Но все попытки с ней справиться напоминали игру в жмурки. Мы точно знали: дефекты есть. Где именно — гадали. Какая у них природа — не знали совсем.

Представьте, что у вас течёт крыша. Вы слышите капель, видите лужи, но не можете найти дырку, потому что чердак забит хламом. Вот примерно так и было с квантовыми схемами.

Как удалось поймать «призрака»

Учёные из Национальной физической лаборатории Великобритании (NPL) совместно с коллегами из Швеции придумали способ визуализации отдельных дефектов прямо в работающей схеме. Они соединили сканирующий зондовый микроскоп с работающим квантовым резонатором.

Всю конструкцию поместили в абсолютно тёмную камеру и охладили до 200 милликельвинов — это почти абсолютный ноль (-273,15 °C). Зачем? При такой температуре тепловые колебания атомов почти полностью замирают. Это даёт «тишину», в которой можно различить влияние одного-единственного дефекта.

Зонд микроскопа водили над поверхностью схемы, прикладывая локальное электрическое поле. Дефект реагировал на это поле, и на карте возникало кольцо. Каждое кольцо — это отдельный дефект ДУС. Впервые его можно было разглядеть и понять, где он находится с точностью до нанометров.

Что это даёт на практике

Раньше исследователи работали со статистикой: «на квадратный микрометр 100 дефектов». Теперь можно подойти к каждому и спросить: «Ты кто такой? Из чего сделан?».

Вот таблица — как было и как стало:

Я лично наблюдал, как многие стартапы пытались решить проблему декогеренции за счёт алгоритмов коррекции ошибок. Но это как латать дырявое ведро — пока не заделаешь сами дырки, вода всё равно вытечет. Теперь мы можем найти эти дырки.

Что делать дальше: пошаговая инструкция

Не думайте, что завтра появятся идеальные квантовые компьютеры. Это открытие — не финал, а начало. Вот чёткие шаги, которые теперь стали возможны:

• Шаг 1 — Идентификация. С помощью нового инструмента учёные определят элементный состав каждого дефекта. Это даст понимание, какие именно атомы или молекулярные группы становятся «вредителями».
• Шаг 2 — Изменение материалов. Зная состав, инженеры смогут модифицировать технологию производства сверхпроводящих плёнок — например, убрать примеси или изменить условия осаждения.
• Шаг 3 — Локальная нейтрализация. Возможно получится «замораживать» дефекты электрическим полем прямо в работающей схеме. По аналогии с тем, как флуоресцентные маркеры глушат — только здесь глушат шум.

«Теперь у нас есть новый инструмент, с помощью которого мы можем гораздо больше узнать об этих неприятных дефектах» — Себастьян де Грааф, один из авторов исследования.

Моё мнение: это прорыв не хуже, чем создание первого электронного микроскопа. Он не даёт готовый продукт, но убирает слепоту. Раньше мы пытались улучшать квантовые процессоры вслепую — методом тыка. Теперь у нас есть карта. Теперь мы можем целенаправленно вырезать дефектные участки. Это повысит стабильность кубитов в разы.

Резюме от автора: квантовые компьютеры всё ещё далеки от идеала. Но этот шаг — настоящий. Мы перестали гадать и начали видеть. Осталось разобраться, как убрать увиденное. И теперь это вопрос времени, а не фантастики.