Как искусственный атом из сверхпроводников стал основой квантовых компьютеров
В 1985 году в лаборатории Калифорнийского университета в Беркли трое ученых — Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис — показали, что макроскопическая система может демонстрировать квантовое поведение. Они создали искусственный атом, который позже назвали кубитом — базовым элементом квантовых компьютеров. Спустя четыре десятилетия эти исследователи получили Нобелевскую премию за свой прорыв. Об этом пишет издание Phys.org.
В центре эксперимента был джозефсоновский переход — сэндвич из двух сверхпроводников с изолятором между ними. При сверхнизких температурах (-273,1°C) через этот переход начали туннелировать куперовские пары — спаренные электроны. Ученые подали микроволны и зафиксировали переход от нулевого напряжения к ненулевому, что доказывало квантовое туннелирование. Впервые триллионы частиц вели себя как единый квантовый объект.
Открытие заложило основу для развития сверхпроводящих кубитов. Первый кубит, созданный в 1990-х, сохранял когерентность всего три наносекунды. К 2004 году группа из Йеля предложила метод circuit QED, который уменьшил потери энергии и увеличил время жизни кубитов. В 2007 году ученые научились запутывать кубиты, соединяя их в общее квантовое состояние.
Главным врагом кубитов остается декогеренция — потеря квантового состояния. Основная причина — дефекты материалов. В 2021 году исследователи из Принстона и Брукхейвена установили связь между временем когерентности ниобиевых кубитов и дефектами поверхности. В 2024 году комбинация ниобия с алюминием улучшила когерентность в 150 раз. Переход на тантал показал еще больший эффект: танталовые кубиты живут в пять раз дольше алюминиевых.
В 2025 году команда из Принстона создала кубит с временем когерентности в три раза больше предыдущих рекордов и в 15 раз лучше индустриального стандарта. Они использовали тантал на кремниевой подложке, что уменьшило количество дефектных слоев. При этом конструкция совместима с существующими процессорами.
Параллельно развивается коррекция ошибок. В 2016 году ученые впервые достигли «безубыточности» — исправление ошибок позволило кубиту сохранять информацию дольше, чем его составные части. В 2023 году время удвоилось, доказав, что фундаментальных ограничений нет. До массовых квантовых компьютеров еще далеко, но путь от искусственного атома до чипа с миллионами кубитов уже проложен.
