Миллионы кубитов против одной молекулы. Мечты о квантовой революции разбиваются о суровую реальность физики

Мир квантовых технологий стремительно выходит за пределы лабораторий, и учёные всё чаще говорят о рубеже, напоминающем период, когда ранние вычислительные устройства постепенно привели к созданию транзистора и последующему скачку в электронике. В обзоре исследователи из Чикагского университета, MIT, Стэнфорда, Инсбрука и Делфта оценивают текущее состояние квантовой аппаратуры и описывают наиболее серьёзные задачи, стоящие перед разработчиками компьютеров, сенсоров и сетей, основанных на квантовых эффектах.

Ведущий автор работы, профессор молекулярной инженерии и физики Дэвид Оушалом из Чикагского университета, сравнивает сегодняшнюю ситуацию с этапом, когда фундаментальные принципы транзисторной электроники уже были ясны, а первые приборы — работоспособны. По его словам, квантовая область находится в похожей точке: базовая физика освоена, создано несколько функционирующих прототипов, и теперь необходимо объединить усилия университетов, государственных структур и индустрии, чтобы превратить отдельные демонстрации в полноценные технологические системы. Такое сотрудничество в своё время ускорило развитие микроэлектроники, и, по мнению авторов, сейчас оно определяет темпы квантового прогресса.

За последнее десятилетие квантовые технологии прошли путь от узкоспециализированных лабораторных экспериментов до приборов, пригодных для практических задач в связи, вычислениях и измерениях. Наиболее быстро развивается область квантовой информации — аппаратные решения, предназначенные для хранения, обработки и передачи квантовых состояний. В обзоре рассматриваются шесть ключевых платформ: сверхпроводниковые кубиты, ионные ловушки, дефекты в кристаллах (включая центры вакансий в алмазах), полупроводниковые квантовые точки, нейтральные атомы и фотонные кубиты.

Чтобы сопоставить зрелость этих направлений, авторы использовали большую языковую модель, которая оценила каждую технологию по шкале TRL — принятому в инженерии показателю, отражающему путь от первых физических принципов (уровень 1) до промышленных решений (уровень 9). Такой подход позволил получить сравнительную картину отрасли: опытные образцы устройств уже доступны через облачные сервисы, однако ключевые характеристики — число рабочих кубитов, устойчивость к ошибкам, стабильность компонентов — пока остаются на раннем уровне. Многие значимые задачи, включая моделирование крупных химических систем, потребуют миллионов физических кубитов и гораздо более строгого контроля над ошибками, чем возможно сегодня.

Профессор Уильям Оливер из MIT подчёркивает, что высокий показатель TRL не означает близость к конечной цели. Он проводит аналогию с полупроводниковыми чипами 1970-х годов: по меркам того времени они считались зрелыми, хотя их возможности несопоставимы с современными интегральными схемами. По его словам, то же справедливо и для квантовой техники — достигнутые результаты важны, но впереди остаётся длительный путь исследований и инженерной работы.

Согласно анализу, ведущие позиции по отдельным направлениям распределились так: сверхпроводниковые кубиты лидируют в квантовых вычислениях, нейтральные атомы сильнее других подходят для моделирования, фотонные кубиты наиболее перспективны для сетей, а дефекты в твёрдом теле — для сенсоров, где важно фиксировать мельчайшие изменения полей и частот.

Несмотря на существенный прогресс, авторы выделяют несколько важных препятствий, которые необходимо преодолеть для перехода от отдельных прототипов к масштабируемым системам. Ключевую роль играет материаловедение: требуется добиться стабильности параметров устройств и научиться выпускать их серийно. Инженеры сталкиваются и с проблемой разводки сигналов — многим архитектурам требуется индивидуальное управление каждым кубитом, а увеличение количества линий физически ограничено. Похожую ситуацию, названную «тирания чисел», пережили разработчики классических компьютеров в 1960-х годах, прежде чем появились интегральные схемы.

К другим задачам относятся поддержание температурных режимов, питание, автоматическая калибровка элементов и создание управляющих систем, способных работать с большим числом взаимосвязанных компонентов. По мнению авторов, подобные вызовы требуют не только технологических решений, но и времени: история электроники показывает, что переход от лабораторных демонстраций к массовому производству занимает годы и даже десятилетия.

Именно этот исторический опыт исследователи считают особенно важным. Индустрии, по их мнению, нужно избегать преждевременного разделения знаний, поддерживать открытый обмен результатами и развивать подходы, ориентированные на проектирование систем целиком, а не отдельных модулей. Они отмечают, что многие прорывы созревали постепенно, и квантовые технологии, вероятно, будут развиваться так же: быстрые достижения на старте неизбежно сменяются длительными инженерными циклами, требующими размеренной, кропотливой работы.