Ученые создали модульные квантовые компьютеры, которые соединяются как кубики LEGO

Инженеры создали модульные квантовые компоненты, которые соединяются с почти идеальной точностью, открывая путь к масштабируемым и переконфигурируемым квантовым системам. Фото: Shutterstock

Что общего между детскими кубиками и квантовыми вычислениями? Ответ — модульность. Ученым сложно создавать квантовые компьютеры монолитно — как единый большой блок. Квантовые вычисления требуют манипуляции миллионами единиц информации под названием кубиты, но эти кубиты сложно собирать. Решение? Найти модульные способы построения квантовых компьютеров. Подобно пластиковым детским кубикам, которые соединяются для создания более крупных и сложных структур, ученые могут строить меньшие, но более качественные модули и объединять их в комплексную систему.

Осознавая потенциал таких модульных систем, исследователи из Инженерного колледжа Грейнджера Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне представили усовершенствованный подход к масштабируемым квантовым вычислениям, продемонстрировав жизнеспособную и высокопроизводительную модульную архитектуру для сверхпроводящих квантовых процессоров. Их работа, опубликованная в Nature Electronics, развивает предыдущие модульные разработки и открывает путь к масштабируемым, отказоустойчивым и переконфигурируемым квантовым вычислительным системам.

Монолитные сверхпроводящие квантовые системы ограничены в размерах и точности (fidelity), которая предсказывает вероятность успешного выполнения логических операций. Точность, равная единице, означает отсутствие ошибок; поэтому исследователи стремятся достичь значения, максимально близкого к единице. По сравнению с этими ограниченными монолитными системами модульность обеспечивает масштабируемость системы, возможность аппаратных обновлений и устойчивость к вариациям, что делает ее более привлекательным вариантом для построения сетевых систем.

«Мы создали удобный с инженерной точки зрения способ достижения модульности со сверхпроводящими кубитами», — сказал Вольфганг Пфафф, доцент физики и старший автор статьи. «Могу ли я построить систему, которую можно собрать, позволяя манипулировать двумя кубитами совместно для создания запутанности или гейтовых операций между ними? Можем ли мы сделать это с очень высоким качеством? И можем ли мы также иметь такую систему, которую можно разобрать и снова собрать? Обычно мы узнаем, что что-то пошло не так, только после сборки. Поэтому нам очень хотелось бы иметь возможность перенастраивать систему позже».

Построив систему, в которой два устройства соединены сверхпроводящими коаксиальными кабелями для связи кубитов между модулями, команда Пфаффа продемонстрировала точность SWAP-гейта около 99%, что означает менее 1% потерь. Их способность соединять и перенастраивать отдельные устройства с помощью кабеля при сохранении высокого качества дает новое представление области проектирования протоколов связи.

«Поиск подходящего подхода занял у нашего сообщества некоторое время», — сказал Пфафф. «Многие группы поняли, что нам действительно нужно это умение соединять все более и более крупные вещи через кабели и одновременно достигать чисел, достаточно хороших для оправдания масштабирования. Проблема была лишь в поиске правильной комбинации инструментов».

В дальнейшем инженеры из колледжа Грейнджера сосредоточатся на масштабируемости, пытаясь соединить более двух устройств, сохраняя при этом возможность проверки на ошибки.

«У нас хорошая производительность, — сказал Пфафф. — Теперь нам нужно проверить это и спросить: действительно ли это продвижение? Имеет ли это смысл?»

Источники:

Материалы предоставлены Инженерным колледжем Грейнджера Университета Иллинойса.

Майкл Молленхауэр, Абдулла Ирфан, Си Цао, Суприя Мандал, Вольфганг Пфафф. Высокоэффективная элементарная сеть взаимозаменяемых сверхпроводящих кубитных устройств. Nature Electronics, 2025; 8 (7): 610 DOI: 10.1038/s41928-025-01404-3