Топологические квантовые компьютеры давно считаются «святым Граалем» в мире вычислений благодаря своим «бессмертным» кубитам, чрезвычайно устойчивым к ошибкам. Однако на пути к их созданию стоит фундаментальная проблема: несмотря на свою стабильность, эти системы не являются универсальными. Недавнее теоретическое открытие предлагает возможное решение этой давней головоломки.

Основная идея топологических вычислений заключается в использовании квазичастиц, называемых анионами, в качестве носителей квантовой информации (кубитов). Их главное преимущество — топологическая защита: информация кодируется не в самой частице, а в свойствах всей системы, что делает ее невосприимчивой к локальным помехам. Однако наиболее изученные и стабильные изинговские анионы обладают серьезным недостатком: они могут выполнять лишь ограниченный набор логических операций, недостаточный для полноценных вычислений.

Эта проблема универсальности является главным «слабым звеном», которое мешает реализовать весь потенциал кубитов. Неспособность выполнять произвольные алгоритмы делает такие системы узкоспециализированными и неспособными заменить классические суперкомпьютеры в широком спектре задач, от создания лекарств до разработки новых материалов.

Недавно исследователи из США предложили теоретическое решение, введя концепцию новой частицы — Neglecton. Добавление всего одного такого объекта в систему может наделить ее способностью к универсальным вычислениям. Хотя это пока лишь теория, она указывает путь для преодоления ключевого барьера и превращает сложнейшую инженерную задачу, создание стабильных кубитов — в более понятную цель: найти материал, способный вместить в себя как анионы, так и неглектоны.

Ученые из Калифорнийского технологического института (Caltech) нашли способ значительно продлить жизнь квантовой информации, превращая ее в звуковые волны. Это элегантное решение одной из главных проблем квантовых вычислений, быстрой потери данных — открывает путь к созданию практичных и мощных квантовых компьютеров.

Главный недостаток современных сверхпроводящих кубитов, используемых Google и IBM, — их «забывчивость». Хрупкое квантовое состояние, в котором хранится информация, разрушается за считанные микросекунды из-за внешних помех. Команда Caltech разработала гибридную систему, где информация из «шумного» электрического кубита передается на крошечный и более стабильный механический резонатор.

Этот резонатор, похожий на микроскопический камертон, вибрирует на сверхвысоких частотах. Квантовое состояние кубита преобразуется в квантованные звуковые колебания — фононы. Информация, сохраненная в виде звуковой волны, оказалась гораздо более устойчивой: время ее жизни увеличилось в 30 раз. Это позволяет «паковать» квантовые данные, выполнять другие операции, а затем считывать их обратно для дальнейших вычислений.

Открытие доказывает состоятельность новой концепции гибридных квантовых систем, где разные физические платформы выполняют те задачи, в которых они сильны: сверхпроводящие кубиты — для быстрых вычислений, а механические резонаторы — для надежного хранения. Этот подход делает архитектуру квантовых компьютеров более похожей на классические, с разделением на процессоры и модули памяти, приближая эру практических квантовых вычислений.

Команда учёных из компании QuEra Computing, Гарварда и MIT объявила о прорыве на пути к созданию мощных и отказоустойчивых квантовых компьютеров. Впервые в истории им удалось экспериментально провести «дистилляцию магических состояний» — ключевой процесс для выполнения сложных вычислений — на основе защищённых от ошибок логических кубитов.

Для выполнения любых, а не только базовых, задач квантовому компьютеру необходимы специальные ресурсы — так называемые «магические состояния». Однако их создание подвержено ошибкам. Продемонстрированный учёными процесс дистилляции, или «очистки», решает эту проблему: он позволяет из нескольких несовершенных, «шумных» состояний получить одно — высокого качества, с минимальным уровнем ошибок. Это открывает дорогу к универсальным квантовым вычислениям.

Главная новизна эксперимента заключается в том, что дистилляция впервые проведена не на обычных, физических кубитах, а на логических. Логический кубит — это система из нескольких физических кубитов, которая способна самостоятельно обнаруживать и исправлять ошибки. Успешно реализовав протокол на своём квантовом компьютере Gemini, исследователи доказали, что вся цепочка — от защиты информации до создания ресурсов для сложных вычислений — может работать как единый отказоустойчивый механизм.

Это достижение устраняет один из ключевых барьеров на пути к масштабированию квантовых систем. Оно на практике подтверждает жизнеспособность теоретических концепций, разработанных два десятилетия назад, и доказывает, что создание мощных и одновременно надёжных квантовых компьютеров является достижимой инженерной задачей. Прорыв приближает эру, когда квантовые вычисления смогут решать практические задачи, недоступные классическим суперкомпьютерам.

Учёные Чикагского университета сделали шаг, который ещё недавно казался фантастикой: превратили обычный белок — флуоресцентный маркер, знакомый биологам по экспериментам с клетками, — в кубит, то есть носитель квантовой информации.

Что это значит простым языком?
Белок начал вести себя как маленький «датчик», способный улавливать тончайшие магнитные и электронные процессы внутри живой клетки. Причём кубит можно включать, управлять им микроволнами и считывать сигналы лазером — прямо в живой среде.

Зачем это нужно?

• Это первый шаг к генетически запрограммированным квантовым сенсорам, которые сама клетка сможет «собирать» из белков.

• В будущем такие сенсоры помогут врачам и биологам буквально «видеть изнутри» работу организма: например, отслеживать реакции ферментов или работу лекарств с точностью до отдельных молекул.

• Потенциальное применение — нано‑МРТ, новый класс диагностики и понимания работы живых систем на глубочайшем уровне.

Да, пока эти кубиты уступают по чувствительности лучшим искусственным аналогам (например, алмазным сенсорам), но сам факт, что живой белок может работать как квантовый прибор, — огромный прорыв.

📍 Исследование опубликовано в журнале Nature и отмечено экспертами как открывающий путь к целому направлению «биоквантовых технологий».

Будущее - рядом

Квантовые компьютеры уже давно перестали быть элементом научной фантастики. Ведущие мировые корпорации и лаборатории вкладывают миллиарды в их разработку, обещая нам революцию в медицине, создании новых материалов и даже в финансовой оптимизации. Но на пути к этому светлому будущему стоит одна фундаментальная проблема, известная как декогеренция. Представьте, что квантовая информация — это хрупкий мыльный пузырь: он переливается всеми цветами радуги, но исчезает от малейшего прикосновения.

И вот, учёные, кажется, смогли поймать за руку одного из главных «вредителей», который лопает эти пузыри. Впервые в истории исследователи смогли не просто догадаться о его существовании, а буквально увидеть его.

Ахиллесова пята квантового мира.

Чтобы понять масштаб прорыва, нужно разобраться с врагом. В мире сверхпроводящих квантовых схем — это одна из самых популярных и перспективных технологий — главным источником головной боли являются так называемые дефекты двухуровневых систем (ДУС).

Что это такое? Если говорить просто, это крошечные, микроскопические несовершенства в материалах, из которых сделана сама схема. Они ведут себя как микроскопические переключатели, которые хаотично меняют своё состояние. Эти «переключатели» создают электромагнитный «шум», который разрушает хрупкое квантовое состояние кубита — базовой ячейки квантового компьютера. Это и есть декогеренциямира.

Учёные знали об этих коварных дефектах более полувека. Они были как призраки: их присутствие ощущалось по последствиям — сбоям и ошибкам в вычислениях, — но никто не мог увидеть отдельного «призрака» и понять, как именно он портит всю картину. Это все равно что пытаться найти одну неисправную лампочку в гирлянде длиной в километр, не имея возможности включить её и посмотреть, какая не горит.

Микроскоп для призраков: как это работает?

И вот здесь начинается самое интересное. Команда из Национальной физической лаборатории Великобритании (NPL) вместе с коллегами из Швеции и Лондона создала инструмент, который позволил совершить невозможное. Они, по сути, построили «микроскоп для призраков».

Это не просто микроскоп в привычном нам понимании. Это сложнейшая установка, которая объединяет передовые методы микроскопии и работающую квантовую схему. Чтобы избавиться от любых посторонних помех, всю систему поместили в абсолютно тёмную, светонепроницаемую камеру и охладили до температуры, лишь ненамного превышающей абсолютный ноль (-273,15 °C). Зачем такие сложности? При такой температуре замирает почти любое тепловое движение атомов. Это создает идеальную «тишину», в которой можно услышать (а в данном случае — увидеть) шёпот одного-единственного дефекта.

Экспериментальная установка для визуализации TLS. (A) Схема нашей установки, показывающая острый зонд над работающей схемой, в которой находятся дефекты TLS. Дипольный момент TLS p⃗ связывается со схемой через микроволновое электрическое поле E⃗_mw. Зонд используется как для AFM-визуализации, так и для приложения локализованных электрических полей E⃗_DC. (B) Оптическое изображение сверхпроводящего подвесного резонатора 3λ/4, сформированного на плёнке NbN толщиной 40 нм на сапфире, который использовался в нашем исследовании. За более подробной информацией о топологии образца обратитесь к Дополнительным материалам. Жёлтый прямоугольник указывает на область сканирования. На врезке показана амплитуда микроволнового напряжения вдоль резонатора. (C) Широкоформатные топографические AFM-изображения работающей схемы, полученные в области, указанной чёрным квадратом в (B). Изображения получены при работе контура пропорционально-интегрально-дифференциального (PID) регулирования, поддерживающего постоянный сдвиг частоты за счёт изменения расстояния между зондом и образцом. (D) AFM-изображение с более высоким разрешением, полученное при 200 мК, на котором видны встречно-штыревые конденсаторы внутри резонатора. (E) Пример коэффициента микроволновой передачи S21(f), измеренного между портами, отмеченными как 1 и 2 в (B), вблизи резонансной частоты схемы f_res. Для обнаружения TLS во время сканирования используется гетеродинная схема считывания, которая измеряет передачу на частоте f_readout, незначительно отстроенной от f_res. (F) Обнаружение TLS. Сигнал передачи S21(f_readout) [цветовая шкала в произвольных единицах (a.u.)] как функция положения зонда выявляет яркий контур, соответствующий постоянному электрическому полю от зонда в месте расположения TLS в центре. Данные были получены при Z_tip = 15 мкм и V_tip = -10,25 В. Подробности см. в ориг. тексте. Цитирование: Marius Hegedüs et al., In situ scanning gate imaging of individual quantum two-level system defects in live superconducting circuits.Sci. Adv.11,eadt8586(2025).DOI:10.1126/sciadv.adt8586
Источник.

Круги на воде: что увидели учёные?

Когда исследователи включили свой прибор, они увидели нечто поразительное. Доктор Риджу Банерджи, один из авторов работы, описал это так, словно по поверхности схемы «плещется какая-то шумная жидкость». А на фоне этого «шума» проявились чёткие кольца, похожие на круги на воде от брошенного камня.

Каждый такой круг — это и есть визуальный след одного дефекта ДУС. Это его «отпечаток», который он оставляет, взаимодействуя с квантовой схемой. Впервые учёные смогли не просто сказать «где-то здесь есть проблема», а указать пальцем: «Проблема вот здесь, и выглядит она вот так».

Это меняет правила игры. До этого момента исследователи работали со статистикой — они знали, что в среднем на квадратный микрометр приходится столько-то дефектов. Теперь они могут изучать каждый из них индивидуально.

Детальное рассмотрение TLS.** (A и B) Изображения крупным планом кольца TLS полученные при (A) Z_tip = 10 мкм и (B) Z_tip = 5 мкм. (C и D) Два других TLS, обнаруженных в ином месте образца; оба изображения получены при Z_tip = 6 мкм. Обратите внимание на эллиптическую форму контуров на (A)-(D), чьи малая и большая оси (r_a и r_b соответственно) отмечены двусторонними стрелками. Контуры выглядят круглыми для дипольных моментов TLS, направленных преимущественно перпендикулярно поверхности образца, как, например, большое кольцо на (D). (E) H, большая и малая оси всех трёх эллипсов линейно сжимаются или расширяются в зависимости от приложенного к зонду напряжения. Прямые линии представляют собой линейную аппроксимацию данных. Из линейных аппроксимаций мы определяем, что соотношения их малой/большой осей (r_a/r_b) составляют: r_a/r_b = 0.95 для (A), 0.8 для (B), 0.8 для (C) и 0.9 для (D). Цитирование: Marius Hegedüs et al., In situ scanning gate imaging of individual quantum two-level system defects in live superconducting circuits.Sci. Adv.11,eadt8586(2025).DOI:10.1126/sciadv.adt8586
Источник.

От диагноза к лечению: что дальше?

Возможность видеть врага в лицо — это первый и самый важный шаг к победе над ним. Теперь, когда у учёных есть этот уникальный инструмент, открывается дорога к следующим этапам:

Идентификация.

Можно изучить химическую природу этих дефектов. Из каких именно атомов или молекулярных групп они состоят? Поняв это, инженеры смогут изменить технологию производства материалов, чтобы таких «вредителей» в них просто не появлялось.

Нейтрализация.

Возможно, получится найти способ «отключать» эти дефекты прямо в готовой схеме, не давая им влиять на кубиты.


Как метко выразился доктор Себастьян де Грааф, ещё один ведущий учёный проекта, «теперь у нас есть новый инструмент, с помощью которого мы можем гораздо больше узнать об этих неприятных дефектах».

Это исследование не обещает нам квантовый компьютер на столе уже завтра. Но оно устраняет одно из самых фундаментальных и давних препятствий на пути к его созданию. Это кропотливая работа по очистке «строительной площадки» для технологий будущего. И впервые за долгие годы у инженеров появился не просто план, а карта, на которой отмечены все ловушки и ямы. А это значит, что стабильные и по-настояшему мощные квантовые компьютеры стали ещё на один большой шаг ближе.

Источник: IXBTIXBT live