Сверхпроводниковые, ионные, нейтрально-атомные, фотонные, спиновые и другие: сравнение модальностей кубитов

Практическое сравнение ведущих модальностей кубитов: сверхпроводниковых, ионных, нейтрально-атомных, фотонных, спиновых, топологических и квантового отжига.

Эта страница переведена с английского. Названия компаний и продуктов, а также ссылки на источники оставлены без изменений. Читать оригинал на английском

Разные модальности кубитов преследуют одну и ту же цель — управляемые квантовые биты и вентили, — но опираются на очень разные инженерные подходы. Одни делают ставку на технологичность производства, другие — на когерентность или качество измерений, третьи стремятся к встроенной устойчивости к ошибкам или ориентируются не на универсальные вычисления по вентильной модели, а на задачи оптимизации.

Почему важна «модальность кубита»

Кубит — это любая управляемая двухуровневая квантовая система. На практике это широкое определение приводит к очень разному «железу»: сверхпроводниковым схемам на чипах, ионам, удерживаемым в электромагнитных ловушках, нейтральным атомам, выстроенным оптическими пинцетами, фотонам, распространяющимся по оптическим сетям, спинам в полупроводниковых устройствах и более спекулятивным системам на основе анионов.

Эти различия важны, потому что полезному процессору нужны не только сами кубиты. Для всех архитектур повторяются одни и те же требования: возможность инициализировать кубиты, реализовать универсальный набор вентилей, сохранять квантовую информацию достаточно долго для вычислений, точно измерять результат и масштабироваться до более крупных систем. Ни одна модальность не доминирует по всем параметрам.

Удобный способ смотреть на эту область — считать, что каждая платформа оптимизирует своё узкое место. Сверхпроводниковые системы опираются на отработанное производство чипов и стали доминирующим промышленным подходом к созданию квантовых процессоров. Ионные ловушки выделяются очень высокой точностью операций. Нейтральные атомы предлагают плотные, реконфигурируемые массивы и сильные взаимодействия через блокаду Ридберга. Фотонные системы выигрывают за счёт естественной пригодности фотонов для связи. Спиновые кубиты пытаются использовать массовое полупроводниковое производство. Топологические вычисления обещают встроенную устойчивость, но экспериментально остаются неоднозначными. Квантовый отжиг — это ещё один отдельный случай: он нацелен на оптимизацию, а не на полный стек универсальных вычислений по вентильной модели.

Сравнение бок о бок

Модальность	Физический носитель	Как работают вентили/взаимодействия	Главные сильные стороны	Основные сложности и оговорки
Сверхпроводниковая	Сверхпроводниковые схемы микроволнового диапазона с переходами Джозефсона	Микроволновые импульсы для однокубитных вентилей; когерентный обмен или параметрическая связь для двухкубитных вентилей	Доминирующая промышленная архитектура; совместима с твердотельным производством; сообщалось о процессорах с более чем 1,000 кубитов	Требует сверхнизких температур; исторически когерентность была короткой, хотя существенно улучшилась
Ионная ловушка	Заряженные атомы, удерживаемые в электромагнитных полях	Лазеры возбуждают однокубитные переходы и связывают внутренние состояния с коллективным движением для запутывания	Фундаментальные операции продемонстрированы с наивысшей точностью; высокоточная инициализация и считывание	Масштабировать большое число ионов в одной ловушке трудно; по мере роста систем движение становится сложнее
Нейтрально-атомная	Лазерно охлаждённые атомы, часто в оптических пинцетах	Лазеры для однокубитного управления; блокада Ридберга для запутывающих вентилей, таких как CZ	Сильные, переключаемые взаимодействия; сообщалось об однокубитной точности до 0.999; продемонстрированы 48 логических кубитов	Требует точного управления лазерами и условий близкого расположения для вентилей на основе блокады
Фотонная / LOQC	Фотоны в оптических модах	Линейные оптические элементы плюс детекторы, вспомогательные состояния, телепортация и коррекция ошибок в схемах типа KLM	Естественно подходит для передачи информации; универсальные вычисления в принципе возможны; хорошо сочетается с задачами связи	Фотоны слабо взаимодействуют, поэтому двухкубитная логика может требовать много ресурсов и быть недетерминированной
Спиновая	Спин электрона или дырки в полупроводниковых устройствах, часто в квантовых точках	Обменное взаимодействие через импульсные напряжения между точками; локальные вращения спина для логики	Можно использовать стандартные кремниевые фабрики для производства пластин; некоторые устройства работают при нескольких кельвинах	Требует жёсткого контроля расщепления уровней, временных параметров импульсов и декогеренции
Топологическая	Анионы в двумерных системах, где вычисления выполняются плетением	Плетения мировых линий анионов реализуют вентили	Теоретически устойчива к небольшим ошибкам траектории; предлагаемый путь к отказоустойчивости	Необходимые неабелевы анионы по-прежнему остаются предметом экспериментальных споров
Квантовый отжиг	Квантовая система, эволюционирующая во времени для задач оптимизации, часто в духе модели Изинга	Медленное изменение поперечного поля для поиска низкоэнергетических решений	Специализирован под комбинаторную оптимизацию; существуют коммерческие системы	Неизвестно, эквивалентен ли универсальным квантовым вычислениям по вентильной модели

Сверхпроводниковые кубиты: преимущество в производстве, бремя криогеники

Сверхпроводниковые квантовые вычисления используют сверхпроводниковые электронные схемы, обычно схемы микроволнового диапазона с переходами Джозефсона, построенные на твердотельных чипах. Переход Джозефсона — ключевой неклассический элемент, потому что его нелинейная индуктивность создаёт неравномерный разнос энергетических уровней, что позволяет инженерам использовать два нижних уровня как кубит.

Самое явное преимущество этой модальности — практическая технологичность. Это твердотельный подход, заимствующий методы производства у обычной микроэлектроники. В статье о сверхпроводниковых квантовых вычислениях он описывается как доминирующий промышленный метод создания QPU, над которым работают компании Google, IBM, IMEC, BBN Technologies, Rigetti и Intel.

Главный компромисс — рабочая среда, которая ему требуется. Поскольку сверхпроводимость возникает только при очень низких температурах, такие системы должны работать в ультрахолодных условиях. Они также по-прежнему сталкиваются с общей проблемой декогеренции. В статье о сверхпроводниковых квантовых вычислениях отмечается, что ранние сверхпроводниковые кубиты имели когерентность менее наносекунды, что делало вычисления непрактичными, но за два десятилетия когерентность улучшилась примерно на пять порядков. Трансмоны, предложенные в 2007 году для снижения чувствительности к зарядовому шуму, стали доминирующей конструкцией и достигли 10–100 микросекунд когерентности. Кубит fluxonium превысил 1 ms в 2021 году, а к 2025 году сверхпроводниковые трансмоны также достигли времен когерентности на уровне миллисекунд.

По масштабу сверхпроводниковое оборудование сейчас лидирует по «сырому» числу кубитов: к 2025 году процессоры превысили 1,000 кубитов, включая IBM Condor с 1,121 кубитами. Тот же источник также упоминает заявление Google о random circuit sampling на Sycamore в 2019 году и объявление 2025 года об одном из первых независимо проверяемых квантовых преимуществ с использованием Willow. Тем не менее эти демонстрации не закрывают более широкий вопрос о том, какая модальность окажется лучшей для отказоустойчивых и полезных вычислений.

Ионные ловушки: сначала точность, потом масштабирование

Квантовые компьютеры на ионных ловушках хранят кубиты в стабильных электронных состояниях ионов, удерживаемых в свободном пространстве электромагнитными полями. Запутывание обеспечивается через коллективное квантованное движение ионов, а управление как однокубитными, так и двухкубитными операциями осуществляется лазерами.

Главная привлекательность здесь — точность. В статье о квантовых компьютерах на ионных ловушках говорится, что фундаментальные операции квантового компьютера были экспериментально продемонстрированы с наивысшей точностью именно в ионных системах. Инициализация через оптическую накачку может превышать точность 99.9%, измерение — 99.99%, точность однокубитных вентилей может быть выше 99%, а реализация запутывающих вентилей также превысила 99%.

Проблема — в масштабе. Несколько ионов в одной ловушке взаимодействуют через кулоновские силы, и по мере добавления новых ионов колебательная структура усложняется, что затрудняет инициализацию и вычисления. Поэтому идеи масштабирования в этой области сосредоточены на модульности: перемещении ионов между зонами ловушки, использовании двумерных массивов ловушек или фотонной связи между удалёнными цепочками ионов. По состоянию на декабрь 2023 года крупнейший набор управляемо запутанных частиц, о котором сообщалось, составлял 32 захваченных иона.

Это делает ионные ловушки сильным кандидатом на роль платформы для универсальных квантовых вычислений, но такой, где основные инженерные усилия сосредоточены не на доказательстве качества базовых операций, а на архитектуре и системной интеграции.

Нейтральные атомы: реконфигурируемые массивы и сильная физика блокады

Нейтрально-атомные квантовые вычисления имеют некоторые общие черты с ионными ловушками, но вместо заряженных частиц используют лазерно охлаждённые атомы, часто управляемые в магнитооптических ловушках и оптических пинцетах. Кубиты кодируются в атомных энергетических уровнях, подготавливаются оптической накачкой, управляются лазерами или полями микроволнового диапазона и измеряются с помощью флуоресцентной визуализации.

Характерный механизм этой платформы — блокада Ридберга. Когда атомы возбуждаются в высоколежащие состояния Ридберга, их взаимодействия могут становиться резко сильнее. В статье о квантовом компьютере на нейтральных атомах приводится наглядный пример: на расстоянии 10 микрометров взаимодействие между двумя атомами в основном состоянии составляет около 10^-5 Hz, тогда как взаимодействие между двумя атомами, возбуждёнными в состояние Ридберга, составляет около 100 MHz. В режиме блокады возбуждение одного атома фактически не позволяет соседним атомам возбудиться в то же ридберговское состояние, создавая управляемый механизм запутывания.

Именно эта сила взаимодействия лежит в основе быстрых двухкубитных управляемых вентилей, таких как CZ, тогда как в передовых экспериментах точность однокубитных операций достигала 0.999. В статье о квантовом компьютере на нейтральных атомах также говорится, что по состоянию на декабрь 2023 года этот подход использовался для демонстрации процессора с 48 логическими кубитами.

Компромисс здесь — сложность управления: вентили на основе блокады зависят от геометрии, расстройки и точности лазеров. Тем не менее нейтральные атомы выделяются сочетанием реконфигурируемых массивов и собственного механизма запутывания, который становится сильным только тогда, когда это нужно.

Фотонные вычисления: естественны для связи, бедны взаимодействиями

Фотонные, или линейно-оптические, квантовые вычисления используют фотоны как носители информации и обрабатывают их с помощью оптических элементов, таких как зеркала, делители пучка, фазовращатели, детекторы и квантовая память.

Привлекательность такого подхода очевидна. Фотоны естественным образом подходят для представления, передачи и детектирования квантовых состояний, поэтому фотонные системы особенно интересны там, где вычисления и связь должны существовать в одной и той же рамке. В статье о линейно-оптических квантовых вычислениях также отмечается, что линейно-оптические сети могут реализовывать произвольные унитарные преобразования и что универсальные квантовые вычисления в принципе возможны.

Но фотоны «почти не взаимодействуют» друг с другом, и именно в этом состоит главная инженерная проблема. Поэтому двухкубитную логику трудно реализовать напрямую, и она может требовать больших ресурсов. Протокол KLM решил эту проблему, показав в 2000 году, что универсальные квантовые вычисления можно построить из линейно-оптических элементов, однофотонных источников, детекторов, вспомогательных состояний, телепортации и коррекции ошибок, фактически создавая полезное нелинейное поведение через измерение и постселекцию. Это делает LOQC многообещающим направлением, но часто недетерминированным и потенциально неэффективным по ресурсам.

В статье о линейно-оптических квантовых вычислениях также отдельно упоминается boson sampling, который, как считается, не является универсальным, но использовался для демонстраций в духе квантового превосходства.

Спиновые кубиты: ставка на совместимость с полупроводниками

Спиновые квантовые вычисления хранят информацию в спине носителей заряда в полупроводниковых устройствах, особенно электронов, локализованных в квантовых точках. Важнейший стратегический момент здесь — совместимость с массовым полупроводниковым производством. В статье о квантовом компьютере на спиновых кубитах говорится, что спиновые кубиты на основе атомов кремния могут производиться на стандартных промышленных кремниевых фабриках, где выпускаются логические микросхемы.

Предложение Loss–DiVincenzo использует импульсные управляющие напряжения между квантовыми точками для контроля обменного взаимодействия и локальное управление спином для построения логических операций, включая CNOT, через комбинации swap-подобных вентилей и вращений одиночного спина.

Привлекательность ясна: если спиновые кубиты удастся масштабировать, они смогут использовать производственную инфраструктуру обычной электроники. Некоторые устройства также работают при нескольких кельвинах; в статье о квантовом компьютере на спиновых кубитах они описываются как “hot qubits”, что может помочь масштабированию по сравнению с платформами, которым нужны более холодные условия. Но ограничения жёсткие: расщепление уровней должно превышать тепловую энергию, импульсы не должны заселять более высокие орбитальные состояния, а декогеренция должна оставаться медленнее, чем выполнение вентилей.

Топологические квантовые вычисления: красивая идея, неустоявшаяся реальность

Топологические квантовые вычисления хранят информацию в анионных состояниях и выполняют вентили через плетение мировых линий в пространстве-времени. Концептуальное преимущество здесь — устойчивость: малые возмущения могут менять детали траекторий, не меняя топологический класс плетения, поэтому закодированная информация может быть по своей природе менее чувствительна к некоторым ошибкам.

Теоретически топологические квантовые компьютеры могут соответствовать по вычислительной мощности стандартным квантовым компьютерам. Но ключевая экспериментальная оговорка очень серьёзна: неабелевы анионы, необходимые для наиболее значимых версий топологических вычислений, не были экспериментально подтверждены бесспорным образом. В статье о топологическом квантовом компьютере говорится, что заявленные свидетельства физики, связанной с майорановскими состояниями, подвергались сомнению, а по крайней мере одно громкое заявление 2018 года было отозвано в 2021 году.

Таким образом, топологические вычисления остаются важной идеей для отказоустойчивости, но пока не находятся на том же практическом уровне, что и сверхпроводниковые, ионные, нейтрально-атомные, фотонные или спиновые подходы.

Квантовый отжиг: не общая модальность кубитов, но важное направление

Квантовый отжиг часто обсуждают рядом с модальностями кубитов, но правильнее рассматривать его как другую вычислительную модель. Он ориентирован прежде всего на задачи оптимизации, особенно комбинаторные задачи с множеством локальных минимумов. Метод начинается с широкой квантовой суперпозиции и медленно изменяет поперечное поле так, чтобы система стремилась завершить эволюцию вблизи основного состояния гамильтониана задачи.

Квантовый отжиг указывает на потенциальное преимущество перед имитацией отжига в ландшафтах с очень высокими, но узкими барьерами, где квантовое туннелирование может помогать эффективнее выходить из локальных минимумов, чем тепловое движение. Коммерческие системы уже существуют: D-Wave объявила о первом коммерческом квантовом отжигателе в 2011 году.

Архитектура D-Wave отличается от традиционных универсальных квантовых компьютеров и не может запускать алгоритм Шора, потому что ей не хватает точных вентильных операций и квантового преобразования Фурье, необходимых этому алгоритму. Утверждения об ускорении по-прежнему зависят от конкретной задачи и в общем случае остаются нерешёнными.

Так какая модальность «лучшая»?

Честный ответ состоит в том, что «лучшая» зависит от того, что именно вы оптимизируете. Если важнее текущий промышленный импульс и крупные чиповые процессоры, лидирует сверхпроводниковый подход. Если нужна максимальная продемонстрированная точность операций, исключительно убедительно выглядят ионные ловушки. Если важны реконфигурируемые массивы и сильные взаимодействия по требованию, нейтральные атомы — серьёзный претендент. Если на первом месте сети и летающие кубиты, у фотоники есть структурные преимущества. Если приоритет — совместимость с полупроводниковыми техпроцессами, спиновые кубиты стратегически привлекательны. Если нужна встроенная устойчивость к ошибкам, топологические идеи заманчивы, но пока экспериментально не доказаны. Если же ваша задача — это оптимизация, а не универсальные вычисления, релевантным набором для сравнения может быть квантовый отжиг.

Ключевые выводы

Модальности кубитов различаются прежде всего тем, какая физическая система несёт кубит и как в ней реализуются взаимодействия.
Сверхпроводниковые кубиты сегодня сочетают сильное промышленное распространение с большими размерами процессоров, но требуют экстремальной криогеники и по-прежнему борются с декогеренцией.
Ионные ловушки выделяются точностью вентилей, инициализации и измерения, хотя масштабирование до больших систем требует сложных архитектурных решений.
Нейтральные атомы используют блокаду Ридберга для создания очень сильных, управляемых взаимодействий и поддерживают реконфигурируемые массивы.
Фотонные вычисления естественным образом согласуются с квантовой связью, но взаимодействия фотон-фотон слабы, поэтому универсальная логика требует больших ресурсов.
Спиновые кубиты привлекательны тем, что могут использовать обычное полупроводниковое производство, особенно в кремнии.
Топологические квантовые вычисления предлагают убедительную теоретическую картину устойчивости, но необходимые квазичастицы по-прежнему остаются предметом экспериментальных споров.
Квантовый отжиг важен для оптимизации, но его не следует смешивать с универсальными квантовыми вычислениями по вентильной модели.