Одна из ключевых проблем, тормозящих прогресс квантовых компьютеров, возможно, наконец получила технологически обоснованное решение. Команда исследователей из Университета Калифорнии в Риверсайде под руководством физика Пэна Вэя предложила метод устранения микроскопических нарушений на границе сверхпроводников — материалов, лежащих в основе большинства современных квантовых процессоров. Суть подхода заключается в нанесении на ниобий — один из наиболее часто используемых металлов в данной области — кристаллической плёнки золота толщиной порядка десяти атомов.
Главная трудность, с которой сталкиваются разработчики, — это нестабильность кубитов, квантовых аналогов обычных битов. В отличие от классических 0 и 1, они могут находиться в нескольких состояниях одновременно, обеспечивая резкий рост вычислительного потенциала. Однако эта способность напрямую зависит от когерентности — параметра, отражающего сохранность квантового состояния во времени. Даже малейшие внешние возмущения, включая флуктуации температуры, электромагнитные шумы или структурные неоднородности на поверхности материала, способны привести к потере когерентности и, как следствие, к разрушению вычислительных операций.
Одним из главных источников таких сбоев являются атомарные неровности, возникающие на границе сверхпроводящего слоя. Эти несовершенства искажают движение куперовских пар — связанных электронов, которые обеспечивают сверхпроводимость. Даже незначительные отклонения от идеальной кристаллической решётки создают энергетические ловушки, где распадаются эти пары, что приводит к потере информации и ограничивает надёжное масштабирование квантовых систем.
Решение, предложенное группой Вэя, основано на технологии эпитаксиального осаждения — прецизионном методе формирования кристаллических покрытий. Золото наносится так, чтобы его атомы строго выстраивались в соответствии с подложкой ниобия, создавая упорядоченный интерфейс без дополнительных дефектов. Благодаря высокой химической инертности и устойчивости к окислению, металл выполняет роль защитного экрана, предотвращающего взаимодействие основного материала с внешней средой и стабилизирующего его электрические характеристики.
Важне всего было определить оптимальную толщину золотого слоя. Избыточное покрытие могло бы нарушить сверхпроводящие свойства, а слишком тонкая прослойка — не справилась бы с задачей подавления поверхностных искажений. Проведённые эксперименты показали, что плёнка толщиной около десяти атомных уровней обеспечивает наилучший компромисс между сохранением квантовой чувствительности и устранением мешающих флуктуаций.
Влияние технологии не ограничивается улучшением времени жизни кубитов. Повышение однородности резонаторов и снижение паразитных потерь в микроволновых трактовках усиливают точность логических операций и повышают общее качество квантовых схем. Особенно важным является то, что метод совместим с современными технологическими процессами, применяемыми при производстве чипов. Это даёт реальный шанс на масштабное внедрение метода в промышленной среде.
Интерес к разработке уже проявили ведущие научные и инженерные структуры. К совместным проектам присоединились исследовательские группы из Массачусетского технологического института (MIT), Национального института стандартов и технологий США (NIST), а также компания SEEQC, специализирующаяся на создании квантовых процессоров. Сотрудничество охватывает как оптимизацию сверхпроводящих материалов, так и разработку новых типов диодов, работающих в квантовом режиме.
В данный момент команда из Риверсайда расширяет область применения технологии, испытывая эпитаксиальные покрытия на других типах сверхпроводников, включая материалы, используемые в квантовых сенсорах. Параллельно представители офиса трансфера технологий подали патентную заявку и помогают организовать запуск стартапа для вывода решения на коммерческий рынок.