Принстонский университет смог сделать кубит, сохраняющий когерентность в течение 1 миллисекунды

Квантовые компьютеры уже не первое десятилетие обещают перевернуть вычислительную науку. Моделирование молекул, оптимизация логистических цепочек, взлом криптографических протоколов — всё это задачи, перед которыми пасуют классические суперкомпьютеры, но которые теоретически по плечу квантовым машинам. Теоретически — потому что на практике им мешает одно и то же обстоятельство. Кубиты, базовые носители квантовой информации, гибнут слишком быстро. Нынешние прототипы по-прежнему ограничены тем, что кубит выходит из строя прежде, чем система успевает завершить полезное вычисление. Информация стирается за микросекунды — словно надпись на запотевшем стекле, которую слизывает конденсат быстрее, чем вы дописываете слово. В ноябре 2025 года инженеры Принстонского университета совершили крупный шаг к практическим квантовым вычислениям, и этот шаг может изменить расстановку сил во всей отрасли.

Чтобы оценить масштаб сделанного, полезно напомнить несколько базовых вещей. Классический бит хранит нуль или единицу. Кубит, подчиняясь законам квантовой механики, способен находиться в суперпозиции обоих состояний разом — и именно в этом источник колоссальной вычислительной мощности. Но суперпозиция крайне уязвима. Любое паразитное воздействие — тепловой шум, случайная вибрация, блуждающее электромагнитное поле — разрушает её, и кубит теряет записанную информацию. Продление времени когерентности — интервала, в течение которого кубит сохраняет квантовое состояние, — необходимо для того, чтобы квантовые компьютеры могли выполнять сложные операции. Эндрю Хаук, декан инженерного факультета Принстона и один из руководителей исследования, сформулировал задачу так: «Главная проблема, то, что мешает нам иметь полезные квантовые компьютеры сегодня, — это то, что вы создаёте кубит, а информация в нём просто не сохраняется достаточно долго».

Чип, созданный группой Натали де Леон, Эндрю Хаука и Роберта Кавы, поддерживает кубиты со временем когерентности свыше одной миллисекунды — втрое дольше лучшего лабораторного результата и почти в пятнадцать раз дольше отраслевого стандарта. Лучший из изготовленных кубитов, как следует из публикации в Nature, показал среднюю добротность 1,5 × 10⁷ и максимальную 2,5 × 10⁷, что соответствует времени жизни до 1,68 миллисекунды. Одна миллисекунда — для человека пустяк, моргнуть не успеешь. Для сверхпроводящего процессора это огромный запас: тысячи квантовых операций можно уложить в такой интервал. Достижение представляет собой крупнейшее единовременное улучшение когерентности за более чем десять лет. Улучшение материалов не потребовало изменений архитектуры кубита, что позволило применить стандартные квантовые вентили и продемонстрировать точность однокубитных операций на уровне 99,994 %.

Секрет не в новой физике, а в новом материаловедении. Большинство сегодняшних сверхпроводящих платформ, включая платформы Google и IBM, основаны на алюминиевых схемах, нанесённых на сапфировые подложки. Комбинация рабочая, но у неё есть известное слабое место. Как поясняет Impact Quantum, двухуровневые флуктуаторы — микроскопические дефекты, живущие на поверхностях и границах раздела материалов, — тихо высасывают энергию из кубита и разрушают его квантовое состояние. Потери в таких устройствах определяются именно двухуровневыми системами, причём вклады поверхностных и объёмных диэлектриков сопоставимы, а значит, бороться нужно и с тем, и с другим. Принстонская группа пошла на двойную замену. По информации Princeton Materials Institute, алюминий уступил место танталу — металлу, который помогает хрупким сверхпроводящим схемам сохранять энергию, а стандартную сапфировую подложку заменили высокоомным кремнием — тем самым материалом, на котором стоит вся полупроводниковая промышленность. Как отмечает Knowridge, тантал естественным образом формирует защитный оксидный слой и содержит значительно меньше дефектов, что позволило принстонской команде резко снизить потери энергии. Помимо прочего, согласно ScienceDaily, тантал исключительно устойчив и выдерживает агрессивную очистку, применяемую для удаления загрязнений в ходе изготовления чипов, — а для квантовых устройств, где каждый посторонний атом на поверхности грозит стать источником помех, это критически важно. Чтобы вырастить тантал непосредственно на кремнии, группе пришлось преодолеть ряд технических трудностей, связанных с различием свойств этих материалов, но в итоге сочетание раскрыло свой потенциал.

Пожалуй, самое ценное в этой работе — не рекордная цифра сама по себе, а то, насколько близок результат к промышленному внедрению. По данным The Quantum Insider, конструкция нового кубита совместима с процессорами ведущих компаний — Google и IBM — и может быть интегрирована в существующие системы без перестройки архитектуры. Хаук выразился прямо: «Если подставить принстонские компоненты в лучший процессор Google, он станет работать в тысячу раз лучше». «А по мере добавления кубитов преимущества растут экспоненциально», — добавил он. Что значит «экспоненциально» в данном контексте? Для гипотетического компьютера на тысячу кубитов выигрыш, по оценкам авторов, составил бы уже не тысячу, а примерно миллиард раз. Цифра кажется фантастической, но это прямое следствие математики квантовой коррекции ошибок: чем надёжнее каждый отдельный кубит, тем меньше избыточных кубитов требуется для компенсации сбоев, и экономия нарастает лавинообразно.

Натали де Леон подчеркнула, что танталовые кубиты не только превосходят прежние конструкции по характеристикам, но и проще в массовом производстве, поскольку, как указано в описании публикации Принстона, платформа «тантал на кремнии» представляет собой простой материальный стек, который потенциально может быть изготовлен на уровне полупроводниковых пластин и легко перенесён в крупномасштабные квантовые процессоры. Это обстоятельство трудно переоценить. Многие красивые лабораторные достижения в квантовых вычислениях так и остались лабораторными именно потому, что не масштабировались.

Путь к результату не был лёгким. Мишель Девор, главный научный сотрудник Google Quantum AI по аппаратной части и лауреат Нобелевской премии по физике 2025 года, в комментарии для Princeton Engineering назвал задачу продления жизни квантовых схем «кладбищем идей» для многих физиков и отметил, что «у Натали действительно хватило смелости пойти этим путём и добиться результата». Идея использовать тантал вместо алюминия далеко не очевидна: тантал тяжелее, дороже и капризнее в обработке. Как отмечает Impact Quantum, годами сверхпроводящие кубиты оставались на так называемом «микросекундном плато», обычно теряя когерентность менее чем за сто микросекунд, и этот предел был не просто неудобством — он определял границы реально вычислимого. До работ принстонской группы мало кто верил, что материаловедческий подход способен сдвинуть эту границу настолько радикально.

Разумеется, одна миллисекунда — не финиш, а скорее старт нового этапа. Для полноценной квантовой коррекции ошибок, необходимой при решении по-настоящему масштабных задач, когерентность желательно нарастить ещё на порядок-другой. Однако принстонская группа показала направление, в котором рост возможен, и — что не менее существенно — показала, что двигаться в этом направлении можно, не разрывая связи с уже освоенными промышленностью технологиями. Как сообщает Princeton Materials Institute, Эндрю Хаук, соавтор концепции трансмонного кубита ещё в 2007 году, теперь возглавил команду, которая переконструировала это устройство и ускорила движение к практическим квантовым вычислениям. Статья Bland M.P., Bahrami F. et al. «Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits» опубликована в Nature 5 ноября 2025 года.