" Физики Калифорнийского технологического института создали крупнейший на сегодня квантовый компьютер на основе нейтральных атомов. В одной системе им удалось заключить в ловушки 6100 атомов цезия, каждый из которых выступает в роли кубита. Работа, опубликованная в Nature, стала серьёзным прорывом: ранее удавалось собрать лишь сотни кубитов в массив.
Учёные увеличили масштаб системы с сотен до тысяч кубитов, сохранив необходимую стабильность и точность для практического применения. Время когерентности достигло 13 секунд — почти в десять раз больше, чем в предыдущих экспериментах. При этом точность однокубитных операций составила 99,98 %.
Кубит — фундаментальная единица квантового компьютера. В отличие от классического бита, принимающего значение 0 или 1, кубит может находиться в суперпозиции, то есть сочетать оба состояния. Именно эта особенность позволяет выполнять параллельные вычисления. Главная трудность состоит в том, чтобы сохранить хрупкое состояние суперпозиции достаточно долго.
Сохранение стабильности, или когерентности, постоянно нарушают шум, тепло и электромагнитные поля. Чем дольше кубит остаётся когерентным, тем сложнее и надёжнее вычисления способен выполнить квантовый процессор.
«Это захватывающий момент для квантовых вычислений с использованием нейтральных атомов, — отметил руководитель проекта, профессор физики Калтеха Мануэль Эндрес. — Теперь мы видим путь к созданию масштабных квантовых компьютеров с коррекцией ошибок. Все ключевые элементы уже на месте».
Аспирант Калтеха Эли Батайль подчеркнул, что длительное время когерентности само по себе не решает задачу:
«Оно должно соотноситься с продолжительностью операций. Если операция длится микросекунду, а время когерентности равно секунде, можно выполнить около миллиона операций».
Масштабирование без потери качества
Для захвата и позиционирования атомов команда использовала «оптический пинцет» — сфокусированные лазерные лучи. Разделив один лазер на 12 000 миниатюрных световых ловушек, исследователи удержали 6100 атомов в вакуумной камере.
«Если сфокусировать луч света в точку размером около микрометра, он притянет атом и зафиксирует его, — объясняет Батайль. — Так можно сформировать массив из тысяч атомов».
Учёные показали, что атомы можно перемещать внутри массива, не разрушая их суперпозицию. Такая возможность упростит коррекцию ошибок в будущих квантовых компьютерах.
Системы на основе нейтральных атомов становятся серьёзной альтернативой сверхпроводящим схемам и ионным ловушкам. Их уникальное преимущество — гибкая архитектура: атомы можно перемещать прямо во время вычислений, обеспечивая динамическую связность, чего лишены жёсткие аппаратные платформы. До сих пор массивы на нейтральных атомах не превышали сотен кубитов, поэтому результат Калтеха в 6100 кубитов стал важной вехой.
Глобальная гонка
Разработка вписывается в мировую гонку за создание масштабных квантовых машин. IBM обещает построить сверхпроводящий компьютер на 100 000 кубитов к 2033 году. IonQ и QuEra развивают платформы на ионных ловушках и нейтральных атомах. Quantinuum планирует создать полностью отказоустойчивый квантовый компьютер к 2029 году.
Следующий критически важный шаг — демонстрация коррекции ошибок. Для этого логический кубит нужно кодировать тысячами физических. Это позволит решать прикладные задачи в химии, материаловедении и других областях.
«Обычный компьютер допускает одну ошибку на 10^17 операций, — отмечает Батайль. — Квантовые системы пока далеки от этого уровня, и достичь его только с помощью аппаратных средств невозможно».
В планах команды Калтеха — связывать кубиты через квантовую запутанность. Это необходимое условие для полномасштабных вычислений.
Хотя 6100-кубитная система ещё не является полноценным квантовым компьютером, она объединяет масштаб, точность и когерентность в одном массиве. Тем самым исследователи задали новый стандарт и подтвердили, что нейтральные атомы становятся ведущей платформой квантовых вычислений.
