Квантовая оттепель: 5 новейших научных достижений на пути к инженерии будущего

Национальная ускорительная лаборатория Ферми недалеко от Чикаго — яркий пример того, какое значение в квантовой физике имеет экстремально низкая температура.

За закрытой дверью этой лаборатории в специально спроектированном зале достраивается Colossus — мощнейший квантовый холодильник своего класса. Его многотонная стальная колонна с паутиной тонких трубок создана, чтобы медленно вымораживать внутреннее пространство до холода далекого космоса — около абсолютного нуля.

Охлаждение происходит здесь не так, как в домашних холодильниках, где один хладагент циркулирует по единому замкнутому контуру. Вместо «бытового» фриона в криосистеме Colossus сначала используют жидкий азот, а потом два изотопа гелия. Газ проходит по множеству стальных трубок и охлаждается постепенно, шаг за шагом, достигая экстремально низкой температуры.

А в глубине этого агрегата главный объект — чип квантового процессора размером с косточку от вишни. Внутри него — настолько хрупкая сверхпроводимая среда, что ее может разрушить любая вибрация, проблеск света или радиосигнал. Поэтому вокруг чипа создают не только холод, но и вакуум, а еще мощную изоляцию от шумов.

Строить гигантские холодильники, которые гасят движение материи, — это лишь один из путей развития квантовых технологий. Но есть и другой способ — искать природные структуры, где сама материя защищает систему. До недавнего времени он считался менее реалистичным.

Именно по этому пути пошли исследователи из Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich). В августе 2025 года они объявили, что смогли обойтись без охлаждения и удержали квантовое равновесие с помощью лазерной ловушки.

Для эксперимента использовали три кремнеземных наночастицы — шарики в сотни раз тоньше человеческого волоса. Их «подвесили» в воздухе лазерным пинцетом, так же, как солнечный луч в зной «подталкивает» пылинки в воздухе. Только здесь толчок точнее, и частица удерживается стабильнее.

Поймать наночастицу в лазерную ловушку — лишь полдела. Но как сделать так, чтобы она не дрожала под действием теплового загрязнения и микровибраций? Убрать этот «шум» смогли тоже с помощью лазера. Он создает силовое поле, в котором частица выравнивается — как стрелка компаса вдоль магнитного поля. В итоге удалось исключить классические колебания и оставить только «нулевые дрожания», которые невозможно устранить по законам квантовой механики.

Частота этого дрожания составила около миллиона колебаний в секунду, а «чистота» режима превысила 90%. Это тем более удивительно, что речь не об электронах и ионах, с которыми обычно работают в квантовой физике, а о нанообъекте из сотен миллионов атомов. Из-за размеров на него сильнее воздействуют внешние шумы.

Масштабированием квантовых наработок озадачились и ведущие американские НИИ — Boston University, UC Berkeley и Northwestern University. Из решение — квантовые световые фабрики, которые могут уместиться на кончике пальца. В этом решении используется стандартный CMOS-процесс — тот самый, что применяют в массовом производстве микропроцессоров для смартфонов и компьютеров.

Инженерная сложность в том, чтобы на одном квадратном миллиметре разместить источники одиночных фотонов на основе квантовых точек, кремниевые волноводы толщиной всего в несколько сотен нанометров, сверхпроводящие детекторы одиночных фотонов и управляющую CMOS-электронику. При этом даже погрешность в десяток нанометров в размерах волновода может разрушить квантовые свойства света.

Сердце этой хрупкой системы — квантовые точки, то есть нанокристаллы полупроводника размером всего в несколько атомов, заключенные в кремниевую матрицу. При подаче электрического импульса каждая точка генерирует только один фотон — этим она отличается от знакомых нам светодиодов, которые производят случайное количество фотонов. Светодиоды в свое время произвели революцию в электронике, но в квантовых вычислениях они бесполезны — тут именно одиночные фотоны служат носителями информации.

Обнаружить одиночные фотоны — задача особой сложности. Обычные фотодиоды не способны регистрировать единичные кванты света, поэтому в чипе используют сверхпроводящие нанополоски — тончайшие проволочки из ниобия, охлажденные до нескольких кельвинов. Попадание даже одного фотона временно разрушает сверхпроводимость участка проволочки и создает электрический импульс, который можно измерить.

В биофармацевтике квантовые вычисления уже дают первые практические результаты в самой сложной сфере — моделировании живой материи.

Сотрудничество IBM и биофармацевтической компании Moderna стало технологическим фронтиром: на квантовом процессоре IBM R2 Heron с 156 кубитами исследователи смоделировали цепочку мРНК длиной 60 нуклеотидов. Предыдущий рекорд — 42 нуклеотида.

На первый взгляд, увеличение на 18 «букв» генетического кода кажется скромным, но сложность моделирования растет экспоненциально: каждый дополнительный нуклеотид удваивает число возможных конфигураций молекулы. Для 42 нуклеотидов это около 4 триллионов вариантов, а для 60 — уже примерно 1,15 квинтиллиона. Такое масштабирование открывает новые перспективы для квантовых вычислений в биомедицине.

Ключ к успеху — в совместной работе квантового процессора и классического суперкомпьютера. Первый просчитывает возможные конфигурации мРНК, а второй оценивает их энергетическую стабильность и корректирует параметры для следующей итерации. Такая гибридная схема позволяет:

• обходить ограничения современных квантовых процессоров, которые еще не могут выполнять длинные последовательности операций без ошибок;
• за считанные часы справляться с моделированием 60-нуклеотидной цепи, на что у классического компьютера ушли бы недели работы и мегаватты электроэнергии.

Квантовая инженерия — это не только про расширение возможностей, но и про снижение уязвимостей и ошибок. Квантовые состояния настолько хрупки, что их нарушает даже космическое излучение, и это влияет на точность результатов.

До недавнего времени масштаб проблемы был колоссальным: ошибка возникала каждые 100−1000 шагов. С таким уровнем «брака» квантовые машины не могли решать практические задачи. Для сравнения: классический процессор может выполнять триллионы операций подряд без единой ошибки.

Но в 2025 году команда из Оксфорда и Осакского университета впервые показала, что ситуацию можно изменить.

Они работали с кубитами на основе ионов кальция-43, которые удерживали в электромагнитной ловушке в условиях почти идеального вакуума. Ими управляли лазеры с фемтосекундной точностью. Это все равно что играть в микроскопический дартс и всякий раз попадать в яблочко размером с атом в центре мишени.

Учёные внедрили систему коррекции ошибок, которая отслеживает состояние кубитов и исправляет сбои ещё до того, как они повлияют на результат. Итог — всего одна ошибка на 6,7 миллиона операций.

Если раньше квантовый процессор, словно одаренный, но непослушный ученик, спотыкался на каждом «абзаце» текста, то теперь способен прочитать целую библиотеку без ошибок.

• Стабилизация квантовых систем при комнатной температуре открывает путь к внедрению квантовых решений в медицине, телекоммуникациях и энергетике без чрезмерных затрат на инфраструктуру. Уже есть сенсоры и прототипы чипов, которые работают без глубокого охлаждения.
• Интеграция квантовых решений с традиционной инженерией на производствах делает их дешевле и практичнее. Квантовые ускорители начинают работать в одном контуре с серверами в дата-центрах, а сенсоры — с промышленными системами контроля. Массовое распространение этих гибридов лишь вопрос времени.
• Общая открытость технологий ускоряет развитие прикладной науки. Появляются платформы для симуляции квантовых алгоритмов, публикаций и обмена результатами. Это позволяют энтузиастам и стартапам активно экспериментировать и быстрее реализовывать успешные концепции.