Железо: сверхпроводники, ионы, фотоны
Как физически делают кубиты — и почему ни одна технология пока не победила.
Физический кубит — конкретная квантовая система с двумя управляемыми уровнями: ток в сверхпроводнике, уровни иона, поляризация фотона и т. п.
Что должен уметь кубит
Чтобы система годилась в кубиты, ей нужно: два чётко различимых уровня (|0> и |1>), долгая когерентность, точные управляемые гейты (включая двухкубитные), надёжное измерение и возможность масштабироваться до многих кубитов. Эти требования (критерии Ди Винченцо) конфликтуют: что хорошо изолировано от шума — плохо управляется, и наоборот. Поэтому существует несколько конкурирующих платформ.
Главные платформы
| Платформа | Кубит — это | Плюсы | Минусы |
| Сверхпроводящие | ток в контуре с джозефсоновским переходом | быстрые гейты, чиповая технология; IBM, Google | милликельвиновый холод, короткая когерентность |
| Ионы в ловушке | уровни энергии иона, удержанного полем | высокая точность, долгая когерентность | медленнее, труднее масштабировать; IonQ, Quantinuum |
| Фотоны | поляризация/путь фотона света | работают при комнатной T, готовы к сети | фотоны трудно заставить взаимодействовать; PsiQuantum, Xanadu |
| Нейтральные атомы | атомы в оптической решётке | много кубитов, гибкая геометрия | молодая технология; QuEra, Pasqal |
Прикинем масштаб коррекции
Сколько физических кубитов нужно, чтобы получить полезный логический регистр? Прикинем при оптимистичном коэффициенте 1000 физических на 1 логический.
overhead = 1000 # физических кубитов на 1 логический
for logical in [1, 100, 2000, 4000]:
physical = logical * overhead
print('логических %5d -> физических ~%d' % (logical, physical))Вывод:
логических 1 -> физических ~1000 логических 100 -> физических ~100000 логических 2000 -> физических ~2000000 логических 4000 -> физических ~4000000
Для взлома RSA нужны тысячи логических кубитов — то есть миллионы физических. Сегодня лучшие машины имеют сотни — тысячи физических кубитов. Масштаб разрыва объясняет, почему «квантовая угроза» — это вопрос будущего, а не сегодняшнего дня.
Как работает под капотом
Сверхпроводящие кубиты (выбор IBM и Google) — это, по сути, искусственные «атомы» на чипе: крошечный контур ведёт себя как квантовый осциллятор с дискретными уровнями. Управляют ими микроволновыми импульсами, а охлаждают до ~10 милликельвин (холоднее космоса), чтобы тепловой шум не будил кубит. Именно поэтому фото квантовых компьютеров — это большие золотистые «люстры»: это многоступенчатые криостаты-холодильники, а сам процессор размером с ноготь висит в самом низу.
Частые ошибки
- Считать число физических кубитов мерой мощности. Важнее точность гейтов, связность и наличие коррекции.
- Думать, что есть «победившая» платформа. Гонка открыта.
- Полагать, что больше кубитов = ближе к взлому RSA. Без коррекции рост числа шумных кубитов мало помогает.
Итог
- Кубит можно сделать из сверхпроводника, иона, фотона, нейтрального атома — у каждой платформы свои компромиссы.
- Критерии Ди Винченцо задают требования; изоляция и управляемость конфликтуют.
- До «полезных» машин нужны миллионы физических кубитов из-за стоимости коррекции.