Преодоление главного барьера в квантовых вычислениях

Квантовые вычисления давно сталкиваются с фундаментальной проблемой: кубиты, базовые единицы квантовой информации, чрезвычайно хрупки. Шум окружающей среды — блуждающие электромагнитные поля, тепловые колебания, даже космические лучи — могут разрушить деликатные квантовые состояния, кодирующие информацию, вызывая ошибки, которые накапливаются и делают вычисления бесполезными. Десятилетиями физики искали радикальное решение: топологические кубиты, которые хранят информацию способом, естественно защищенным от шума. Теперь команда под руководством Рамона Агуадо из Madrid Institute of Materials Science достигла прорыва, приближающего эту идею к действительности, впервые успешно прочитав квантовые состояния кубитов Майорана.

Исследование, опубликованное в журнале Nature в феврале 2026 года, является результатом сотрудничества Madrid Institute of Materials Science, входящего в Spanish National Research Council, и Delft University of Technology в Нидерландах. Команда не только создала физическое устройство, способное размещать режимы Майорана, но и разработала новую методику измерения, позволяющую извлекать квантовую информацию, хранящуюся в них — способность, которой исследователи не обладали до сих пор.

Что делает кубиты Майорана особенными

Частицы Майорана названы в честь итальянского физика Этторе Майораны, предсказавшего их существование в 1937 году. В отличие от обычных частиц, частицы Майорана — это их собственные античастицы, свойство, придающее им необычные квантово-механические характеристики. Когда режимы Майорана создаются в твердотельной системе, они возникают парами на противоположных концах специально разработанной наноструктуры с квантовой информацией, распределенной между обеими частицами одновременно.

Это распределенное кодирование является источником топологической защиты. Поскольку информация не хранится в каком-либо одном месте, а распределена между парой режимов Майорана, локальные возмущения — шум, разрушающий обычные кубиты — не могут легко ее повредить. Чтобы уничтожить квантовую информацию, шум должен одновременно воздействовать на оба кубита Майорана, что гораздо менее вероятно, чем нарушение одного кубита. Эта естественная устойчивость делает топологические кубиты столь привлекательными для создания практических квантовых компьютеров.

Однако то же самое свойство, которое делает кубиты Майорана устойчивыми, делает их крайне сложными для чтения. Квантовая информация намеренно скрыта от локальных измерений. Разработка способа доступа к этой информации без ее разрушения была одной из центральных задач топологических квантовых вычислений.

Создание цепи Китаева с нуля

Чтобы решить эту проблему, исследовательская команда построила то, что они называют минимальной цепью Китаева — модульную наноструктуру, вдохновленную теоретической моделью, предложенной физиком Алексеем Китаевым в 2001 году. Устройство состоит из двух квантовых точек на основе полупроводника, соединенных через сверхпроводник и расположенных так, чтобы генерировать режимы Майорана контролируемым и воспроизводимым способом.

Исследователи описывают архитектуру как напоминающую кубики Lego — модульные компоненты, которые можно собирать и конфигурировать для создания желаемых квантовых состояний. Квантовые точки полупроводника действуют как искусственные атомы, заключая электроны в дискретные энергетические уровни, а сверхпроводник опосредует взаимодействия между ними, которые порождают физику Майорана. Этот снизу вверх подход позволяет команде точно спроектировать систему, настроив параметры, чтобы привести устройство в топологический режим, где появляются режимы Майорана.

Создание этого устройства потребовало достижений в нанофабрикации, науке о материалах и криогенной инженерии. Эксперименты проводились при температурах, близких к абсолютному нулю — всего в миллиградусах выше минус 273 градусов Цельсия — где квантовые эффекты доминируют, а тепловой шум минимален. Команда Delft University, обладающая обширным опытом в гибридных полупроводниковых сверхпроводниковых устройствах, предоставила экспериментальную платформу, тогда как группа Madrid внесла теоретическую базу, которая направляла проектирование устройства и интерпретацию данных.

Прорыв квантовой емкости

Ключевое нововведение было разработка методики считывания на основе квантовой емкости. В отличие от обычных подходов измерения, исследующих локальные свойства отдельных квантовых точек, квантовая емкость действует как глобальный зонд, чувствительный к общему состоянию системы, как описывают исследователи. Это критически важно, потому что информация в кубите Майорана по своей сути нелокальна — она находится в отношении между парой режимов Майорана, а не в любом режиме отдельно.

Измерение квантовой емкости работает путем обнаружения того, имеет ли объединенное квантовое состояние пары Майорана четную или нечетную четность — свойство, которое показывает, находится ли кубит в нулевом состоянии или в состоянии один без коллапса хрупкой квантовой суперпозиции, которая делает возможным вычисления. Это измерение четности — фундаментальная операция, необходимая для чтения топологических кубитов, и экспериментальное ее изучение является значительным достижением.

Команда сообщила, что когерентность четности — длительность, в течение которой квантовая информация остается неповрежденной и считываемой — превышала одну миллисекунду. Хотя это звучит кратко, это обнадеживающая временная шкала для квантовых операций. Современные квантовые процессоры выполняют операции гейтов в наносекундах, что означает, что время когерентности в одну миллисекунду потенциально позволяет миллионы операций до деградации квантового состояния.

Подтверждение топологической защиты

Помимо достижения считывания, эксперимент предоставил прямое доказательство того, что механизм топологической защиты работает, как предполагалось теорией. Исследователи продемонстрировали, что квантовое состояние кубита Майорана было существенно более устойчивым к локальным возмущениям, чем были бы обычные квантовые состояния. Это подтверждение важно, потому что, хотя теоретические аргументы в пользу топологической защиты хорошо установлены, экспериментальная проверка в реальных устройствах была сложной и иногда противоречивой.

Область исследований Майораны столкнулась с серьезным поражением в 2021 году, когда высокопрофильная статья, утверждающая доказательства частиц Майорана, была отозвана из-за проблем с анализом данных. С тех пор сообщество приняло более строгие стандарты для экспериментальных заявлений. Публикация текущего исследования в Nature, в сочетании с его комплексным теоретическим анализом и независимой экспериментальной проверкой, отражает эту более высокую планку и придает уверенность результатам.

Путь к топологическому квантовому компьютеру

Хотя этот прорыв демонстрирует способность создавать и считывать кубиты Майорана, построение практического топологического квантового компьютера требует нескольких дополнительных возможностей. Исследователи должны продемонстрировать способность манипулировать кубитами Майорана — выполнять квантовые гейт-операции, которые составляют вычисления — и масштабировать систему от одного кубита к тысячам или миллионам, требуемым для полезных расчетов.

Модульная архитектура цепи Китаева предлагает естественный путь к масштабированию, поскольку дополнительные квантовые точки и сверхпроводники могут быть добавлены для создания более длинных цепей и более сложных конфигураций кубитов. Microsoft, который много инвестировал в топологические квантовые вычисления, объявил в 2025 году о достижении ключевых вех в устройствах на основе Майорана, и подход, описанный в этом новом исследовании, совместим с этими усилиями.

Для более широкой индустрии квантовых вычислений считывание кубита Майорана представляет доказательство концепции того, что топологические квантовые вычисления — это не просто теоретическая любопытство, а экспериментально жизнеспособный подход к созданию отказоустойчивых квантовых процессоров. Путь от этого первого успешного считывания к работающему топологическому квантовому компьютеру будет долгим, но с этим результатом область пересекла критический порог — от многообещающей теории к демонстрируемой практике.

Эта статья основана на отчетах Science Daily. Прочитайте оригинальную статью.