Технології кубітів: надпровідні, на захоплених іонах та фотонні кубіти

3D Simulations

⚛️ Квантові обчислення · Апаратне забезпечення

📅 Березень 2026⏱ 13 хв🔴 Просунутий · Останнє оновлення: 23 червня 2026 р.

Технології кубітів: надпровідні, на захоплених іонах та фотонні кубіти

Побудова квантового комп'ютера потребує підтримання квантової когерентності — суперпозиції та заплутаності — попри постійну декогеренцію від теплового шуму та довкілля. Різні фізичні реалізації кубітів роблять радикально різні компроміси між часом когерентності, швидкістю вентилів, точністю вентилів та масштабованістю.

Автор: Команда MySimulator · Редакційна перевірка: Редакція MySimulator

1. Критерії ДіВінченцо для кубітів

Девід ДіВінченцо (2000) сформулював 5 вимог, яким має задовольняти будь-яка фізична система кубітів, щоб виконувати квантові обчислення:

Масштабованість: система добре охарактеризованих кубітів, яку можна масштабувати до великої кількості.
Ініціалізованість: можливість скидати кубіти у відомий початковий стан |0⟩ з високою точністю.
Тривала когерентність: час декогеренції (T₁, T₂) значно довший за час виконання вентиля.
Універсальний набір вентилів: можливість реалізувати універсальний набір квантових вентилів.
Вимірюваність: можливість зчитувати стан кожного кубіта з високою точністю.

Ключові метрики: T₁ = час енергетичної релаксації (спад імовірності |1⟩ \to |0⟩, амплітудне згасання) T₂ = час дефазування (втрата фазової когерентності, |+⟩ \to змішаний стан) Завжди T₂ \leq 2T₁. Часто T₂ << 2T₁ через шум дефазування. Точність вентиля F = Tr(U†_ideal \cdot ρ_actual) \in [0,1] F > 0.999 зазвичай потрібна для відмовостійкого виправлення помилок (поріг поверхневого коду: помилка вентиля < ~1%) Тактова частота = 1/t_gate Ефективна глибина схеми \approx T₂ / t_gate

2. Надпровідні кубіти (трансмон)

Домінуюча комерційна платформа (IBM, Google, Rigetti). Джозефсонівський перехід — два надпровідники, розділені тонким ізоляційним бар'єром — створює нелінійну квантову індуктивність. У поєднанні з конденсатором це утворює ангармонічний квантовий осцилятор:

Гамільтоніан трансмона (зарядовий базис): H = 4E_C (n̂ - n_g)² - E_J cos(φ̂) E_C = зарядова енергія = e²/2C (кулонівська енергія на електронну пару) E_J = джозефсонівська енергія ∝ I_c (критичний струм) n_g = зарядовий зсув затвора (відхилення від цілого) φ = надпровідна різниця фаз Режим трансмона: E_J >> E_C (відношення ~50-100) → частота кубіта ω ≈ (8E_J E_C)^{1/2} / ℏ ≈ 4-8 ГГц → ангармонічність α = ω₁₂ - ω₀₁ ≈ -E_C/ℏ ≈ від -200 до -350 МГц (від'ємна: |2⟩ ближче до |1⟩, ніж |1⟩ до |0⟩) → нечутливий до зарядового шуму (на відміну від ранішого кубіта CPB) Умови роботи: Температура: 10-20 мК (рефрижератор розчинення) Відстань між частотами кубітів: кілька МГц для уникнення перехресних завад Керування: мікрохвильові імпульси на ω через копланарний хвилевід Зчитування: дисперсійний зв'язок з мікрохвильовим резонатором (150-250 МГц) Поточний стан (2024): T₁: 100-500 мкс (IBM Heron r2) T₂: 50-300 мкс Точність одного кубіта: 99.9-99.99% Точність двокубітного (CZ) вентиля: 99.0-99.9% Час вентиля: 20-100 нс (швидко!) Кількість кубітів: 100-1000 кубітів на одному чипі

3. Кубіти на захоплених іонах

Окремі іони (зазвичай ⁴⁰Ca⁺, ⁸⁸Sr⁺, ¹⁷¹Yb⁺ або ¹³³Ba⁺) утримуються в пастках Пауля — осцилюючих електричних полях — і охолоджуються до основного руху лазерним охолодженням. Кубіт кодується у двох довгоживучих електронних рівнях:

Кодування кубіта: ¹⁷¹Yb⁺: надтонкі основні стани |0⟩=|F=0,m_F=0⟩, |1⟩=|F=1,m_F=0⟩ Частота переходу: ~12.6 ГГц (мікрохвилі) Природний час когерентності (без декогеренції): роки чи десятиліття(!) Реальний T₂ у пастці: секунди-хвилини \to обмежений шумом магнітного поля, нестабільностями частоти пастки та шумом частоти лазера Операції з вентилями: Один кубіт: лазерний/мікрохвильовий імпульс (осциляції Рабі) Два кубіти: вентиль Мьольмера-Сьоренсена через спільну рухову шину - Прикладаємо двочастотне лазерне поле до обох іонів - Збуджуємо/знезбуджуємо фононні моди \to опосередковує іон-іонну взаємодію - Час вентиля: ~10-500 мкс (повільно проти надпровідних) Поточний стан (2024): T₁: > годин (оптичні кубіти) або хвилини (надтонкі) T₂: 1-10 с (з динамічним розв'язуванням) Точність одного кубіта: 99.99% Точність двох кубітів: 99.6-99.9% Час вентиля: ~100-500 мкс (у 100\times повільніше за надпровідні) Кількість кубітів: 30-50 іонних кубітів у лінійній пастці (IonQ, Quantinuum) Сотні: багатозонні або 2D-масиви пасток

4. Фотонні кубіти

Фотони — чудові кубіти: вони рухаються зі швидкістю світла й майже не взаємодіють із довкіллям (надзвичайно тривала когерентність). Складність полягає в тому, щоб змусити їх взаємодіяти один з одним для двокубітних вентилів:

5. Спінові кубіти

Електронні чи ядерні спіни в напівпровідниках (кремній, германій, сполуки III-V) або в дефектних центрах у матеріалах із широкою забороненою зоною (NV-центри в алмазі, кремнієво-вакансійні SiV в алмазі) слугують кубітами:

Кремнієві спінові кубіти (Intel, QuTech): Кубіт: електронний спін у кремнієвій подвійній квантовій точці |↑⟩ = |0⟩, |↓⟩ = |1⟩ у магнітному полі B₀ Ларморівська частота: f = g\cdotμ_B\cdotB₀/h \approx 10-40 ГГц при B₀=0.5-2Тл Двокубітний вентиль на обмінній взаємодії: J\cdot(σ₁\cdotσ₂) гайзенбергівський зв'язок \to керується напругою затвора: швидкий (~10-100 нс) при налаштуванні Перевага: сумісність з виробництвом CMOS Виклик: розміщення з точністю до одного атома, надтонкий шум від ²⁹Si Рішення: ізотопно очищений ²⁸Si (ядерний спін-0 усуває домінуючий шум) Стан 2024: T₂ до секунд із ²⁸Si, точності >99%, масиви ~6 кубітів NV-центри в алмазі: Електронний спін азотно-вакансійного дефекту T₁ ~ мс при кімнатній т-рі, T₂ ~ мкс при кімнатній т-рі, ~ мс при низькій т-рі Однофотонна емісія \to спін-фотонний інтерфейс \to квантові мережі Використовуються у квантових ретрансляторах, квантовому сенсорстві (магнітометрія)

6. Топологічні кубіти

Топологічні кубіти прагнуть зберігати квантову інформацію нелокально в топологічно захищеному стані, через що декогеренція експоненційно пригнічується фізичною щілиною:

Майоранівські нульові моди (підхід Microsoft Station Q): Передбачено, що з'являються на кінцях напівпровідникових нанодротів (InAs, InSb), пов'язаних із надпровідниками в магнітному полі. Кубіт, закодований у двох майоранівських модах, розділених макроскопічною відстанню: Локальні збурення не можуть розрізнити |0⟩ від |1⟩ \to захищений за своєю природою. Топологічний захист: Швидкість декогеренції \propto exp(-L/ξ), де L = розділення, ξ = довжина когерентності Якщо L >> ξ: фактично нульова декогеренція від локального шуму. Вентилі: «Заплітання» (braiding) майоран (неабелевих еніонів) реалізує унітарні вентилі. Елемент групи кіс = топологічно захищена операція вентиля. Поточний стан (2025): Чип топологічних кубітів Microsoft «Majorana 1» (анонс 2025) заявляє про демонстрацію «топологічних кубітів» — досі на стадії незалежної перевірки. Справжні відмовостійкі топологічні квантові обчислення лишаються дослідницькою метою.

Порогова теорема: квантове виправлення помилок може пригнічувати помилки до нехтовних рівнів, якщо фізичні рівні помилок нижчі за поріг (~1% для поверхневих кодів). Платформи на надпровідниках та захоплених іонах обидві наближаються до цього порогу. Однак відмовостійкий логічний кубіт потребує ~1000 фізичних кубітів на один логічний кубіт залежно від рівня помилок. Корисний відмовостійкий комп'ютер (наприклад, алгоритм Шора для RSA-2048) потребує ~4000 логічних кубітів = ~4 мільйони фізичних кубітів. Жодна сучасна система до цього не близька.