В 15 раз лучше Google: В Принстоне создали кубит с рекордным временем жизни

Исследователи из Принстонского университета создали новый сверхпроводниковый кубит с рекордным временем когерентности, которое в три раза превышает показатели, ранее полученные в лабораторных экспериментах. В основе разработки лежит архитектура трансмон-кубитов, которую уже используют Google и IBM, однако версия Принстона, по утверждению университета, демонстрирует время когерентности в 15 раз лучше, чем у решений крупнейших компаний отрасли.

Квантовые компьютеры считаются одной из ключевых технологий следующего поколения, поскольку потенциально способны решать задачи, недоступные классическим вычислительным системам. Несмотря на быстрый прогресс и интерес со стороны бизнеса, до массового применения таких машин по-прежнему остаются серьезные технические барьеры. Один из них связан с ограниченным временем жизни кубита, то есть с тем, как долго он способен хранить информацию без потери состояния.

Когда кубит теряет когерентность, он становится непригодным для сложных вычислений, а утрата данных приводит к ошибкам, которые накапливаются по мере роста системы. Новая разработка Принстонского университета нацелена именно на решение этой фундаментальной проблемы квантовых вычислений.

Трансмон-кубиты работают при экстремально низких температурах и ценятся за устойчивость к помехам и относительную простоту производства, поэтому их и выбрали такие компании, как Google и IBM. При этом увеличение времени когерентности для таких кубитов долгое время считалось крайне сложной задачей. Основной причиной ограничений ученые называли качество материалов, применяемых при их изготовлении.

Команда под руководством Натали де Леон и Эндрю Хоука решила проверить, может ли замена материала радикально изменить ситуацию. Совместно с химиком Робертом Кавой исследователи использовали редкоземельный металл тантал для создания квантовой схемы. Этот материал отличается высокой прочностью и хорошо переносит агрессивные процессы очистки, необходимые для удаления загрязнений на этапе производства.

Первоначально схема была изготовлена на сапфировой подложке, что уже привело к заметному росту времени когерентности. Однако ученые обнаружили, что значительные потери энергии связаны именно с сапфиром. В результате они решили заменить его на высококачественный кремний, широко применяемый в современной микроэлектронике. Производство такого кубита оказалось технически сложным, но в итоге команде удалось преодолеть все ограничения.

Итогом стал трансмон-кубит с временем когерентности, которое примерно в 15 раз превосходит показатели, достигнутые Google и IBM. По словам Хоука, простая замена кубитов в лучшем квантовом процессоре Google на разработку Принстона теоретически могла бы повысить его производительность в тысячу раз. При этом эффект усиливается по мере роста системы, поэтому добавление новых кубитов делает архитектуру еще более эффективной.

Хоук также оценивает, что гипотетический квантовый компьютер на тысячу кубитов с такими характеристиками работал бы примерно в миллиард раз эффективнее лучших современных квантовых машин. Натали де Леон отмечает, что ключевым результатом работы стало понимание критически важных шагов и характеристик, которые позволяют добиться столь высоких времен когерентности. По ее словам, это упрощает внедрение подхода для всех, кто занимается масштабируемыми квантовыми процессорами.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.