Квантовые компьютеры долгое время напоминали капризных гениев, которые не могут и шагу ступить без армии ассистентов: каждый кубит требовал собственного сигнального провода, тянущегося от громоздких стоек с электроникой, работающей при комнатной температуре, внутрь криостата, где царит почти абсолютный ноль. Такая архитектура обречена была упереться в стену сложности задолго до того, как количество кубитов достигнет практически полезных значений, и именно в эту стену нацелилась HRL Laboratories, опубликовавшая сегодня в журнале Nature результаты, которые вполне могут изменить представление о том, как должны управляться квантовые машины будущего. Исследователи построили систему, которая выполняет коррекцию ошибок полностью автономно, без участия внешней электроники, и это первая в истории демонстрация такого рода.
Ключом к прорыву стал специализированный КМОП-контроллер, спроектированный для работы при температуре минус 450 градусов по Фаренгейту внутри того же криостата, где обитают и сами кубиты. Обычно размещение тёплой управляющей электроники рядом со сверхчувствительными квантовыми элементами равносильно самоубийству — даже при такой экстремально низкой температуре контроллер всё равно горячее кубитов, и его тепло способно разрушить хрупкие квантовые состояния. Решением стала высокоплотная сверхпроводящая ленточная шина, которая пропускает сотни управляющих сигналов вниз, к ещё более холодным кубитам, но при этом не передаёт тепло, сохраняя квантовую когерентность. Вкупе с новым процессом изготовления кубитов, обеспечившим радикально более низкий уровень шума и повышенную стабильность, система достигла контрольных ошибок в десять раз ниже, чем любая предыдущая демонстрация на кубитах этого типа, а каждая операция укладывается в микросекунду.
Убедительность результату придаёт проверка на масштабирование. Когда команда добавила больше кубитов в свой корректирующий код с повторением, уровень ошибок упал примерно в пять раз — именно такое подавление ошибок и предсказывает теория для систем, способных расти без экспоненциального усложнения управляющей инфраструктуры. Совпадение экспериментальных данных с теоретическими моделями служит серьёзным аргументом в пользу того, что подход выдержит проверку масштабом, а не рассыплется при добавлении каждой новой пары кубитов. Роб Васкес, президент и генеральный директор HRL Laboratories, провёл прямую параллель с историей традиционных вычислений, где побеждали не самые высокопроизводительные технологии, а те, которые можно было дёшево и массово производить, и выразил убеждение, что квантовые компьютеры последуют тем же путём — сборка на стандартных линиях микроэлектронного производства и размещение всей машины в одном рефрижераторе.
Публикация в Nature представляет собой полноценный прототип архитектуры, которую HRL считает способной доставить полномасштабные квантовые компьютеры по практичной цене, а своевременность разработки подчёркивается недавним объявлением IBM о подписании соглашения о приобретении HRL Laboratories. Сделка, нацеленная на усиление квантовых компетенций IBM, должна ускорить работы в области квантовой науки и инженерии, и если архитектура с криогенным контроллером действительно масштабируется так, как предсказывают модели, то будущее, в котором квантовый компьютер помещается в один холодильник и управляется единственным чипом, становится не фантазией, а вопросом времени и производственных мощностей.
