У квантового компьютера есть занятная особенность: он считает в суперпозиции, но ответ приходится выуживать измерением — а измерение эту суперпозицию гасит. Парадокс старый, зашитый в сами основы квантовой механики, и потому считывание долго считали скучной инженерией где-то на финише вычислений. Сегодня отрасль смотрит иначе: скорость и деликатность чтения кубита решают масштабируемость машины не меньше, чем число кубитов. Главный герой этой истории — сверхток: ток, который бежит по сверхпроводнику без всякого сопротивления и умеет работать и кубитом, и его бережным свидетелем.
В привычном мире измерение — занятие безобидное: термометр на погоду не влияет. В квантовом всё иначе. Измерение есть физическое взаимодействие, и суперпозицию оно ломает: кубит, пребывавший в нуле и единице одновременно, вынужден «выбрать» что-то одно. И это ещё полбеды — теорема о запрете клонирования не даёт снять копию состояния и разбить её об прибор. Запасного кубита не существует. Остаётся одно: читать как можно менее разрушительно.
Так родилась идея неразрушающего измерения, quantum non-demolition. Спрашивать надо не «хрупкое» вычислительное состояние, а величину, согласованную с его природой: наблюдаемую, которая не меняется при свободной эволюции кубита. Тогда ответ можно считывать повторно — и каждый раз получать то же значение, а не новую случайность. Второй приём — косвенное измерение: кубит вообще не трогают, опрашивают «свидетеля», вспомогательную систему, в которой отпечатался его след. Разница между допросом и подслушиванием — фундамент всей отрасли: от первого зависит жизнь суперпозиции, от второго — возможность постоянно ловить ошибки.
Две сверхпроводящие плёнки, разделённые тонким барьером, — это джозефсоновский контакт. Пары электронов туннелируют сквозь барьер, и по цепи течёт ток без сопротивления. Согните структуру в кольцо — получится СКВИД: интерферометр, сверхчувствительный к магнитному потоку и классический детектор для кубитов на потоках. У Google и IBM схема другая: там трансмон, кубит на джозефсоновском переходе, связан с микроволновым резонатором — колебательным контуром прямо на том же чипе. В зависимости от состояния кубита собственная частота резонатора едва заметно сдвигается.
Дальше — красиво. В резонатор посылают слабый микроволновый импульс и смотрят, что стало с отражённой волной. Кубит никто не «трогает»: измеряют отклик его партнёра-осциллятора. Чистое косвенное неразрушающее чтение. Правда, след кубита чудовищно слаб — сигнал приходит на грани квантового шума. На выручку приходят квантово-ограниченные параметрические усилители, тоже джозефсоновские устройства: они усиливают волны, не подмешивая шума; по открытым данным, их ставят внутри криостата, у самого чипа. Картина выходит симметричная: кубит и его «глаза» сделаны из одного и того же сверхтока.
Чтение выглядит финальным аккордом: посчитали, измерили, готово. Но в машинах с исправлением ошибок кубиты читают безостановочно. Коды поверхностного типа устроены так: вспомогательные кубиты-синдромы опрашиваются снова и снова, и по этой россыпи ответов восстанавливается логическое состояние — без прямого доступа к данным. Один защищённый кубит — это десятки физических, а каждая операция над ним требует множества повторных циклов считывания.
Отсюда три жёстких требования. Скорость: пока идёт измерение, квантовая когерентность тает, и каждая лишняя микросекунда — прямая надбавка к ошибкам. Деликатность: чтение не должно встряхивать соседей, иначе перекрёстные помехи превратят чип в шумное общежитие. И пропускная способность: сотни кубитов делят ограниченное число линий сквозь стенки криостата, сигналы приходится мультиплексировать, а электроника управления выделяется в отдельный инженерный жанр. Практика ведущих лабораторий безжалостна: в готовых процессорах ошибки считывания — среди самых частых. Так что заявление «у нас столько-то кубитов» говорит о машине меньше, чем характеристики её измерительного тракта. Именно они задают реальную тактовую частоту логики исправления ошибок.
Отечественная сверхпроводниковая платформа выросла из связки Российского квантового центра и МИСиС: там создали первые российские сверхпроводниковые кубиты и заработала собственная технологическая линия для изготовления джозефсоновских контактов. Сегодня, как сообщается, сверхпроводниковым направлением в рамках национальной дорожной карты квантовых вычислений занимается консорциум российских научных центров.
Для задачи считывания у России есть козырь: сильная школа сверхпроводящей электроники. СКВИДы и криогенные детекторы десятилетиями развивали в московских и нижегородских институтах, и эти компетенции ложатся прямо на инженерию чтения кубитов. Слабое место, судя по открытым данным, — инфраструктура. Отсюда ставка на собственные криогенные узлы и электронику управления. А перспектива прячется вот где: измерительный тракт — ниша, где не обязательно сразу строить тысячу кубитов. Востребованы отдельные компоненты — квантово-ограниченные усилители, мультиплексоры, контроллеры, — которые нужны любой лаборатории мира.
Квантовые вычисления принято мерить кубитами, но масштабирование решается в другом месте — в тонком тракте между чипом и остальным миром. Измерение давно перестало быть финальной строчкой протокола: это непрерывный процесс, от которого зависят и жизнь суперпозиции, и темп исправления ошибок. Неразрушающее чтение через сверхток — редкий подарок: квантовая механика разрешает подглядывать, если делать это быстро, тихо и много раз подряд. Кто научится видеть кубит бережнее всех — тот и определит, как будут выглядеть первые полезные квантовые машины.