Квантовый процессор на кремнии: цифровое управление прорыв в Nature

Исследователи из Нидерландов и США впервые создали квантовый процессор на кремнии, который управляется исключительно цифровыми импульсами. Работа, опубликованная 10 апреля 2026 года в журнале Nature, демонстрирует новый подход к управлению кубитами, способный решить одну из главных проблем квантовых вычислений — масштабирование системы без потери точности. Этот прорыв может ускорить создание практических квантовых компьютеров, совместимых с существующей полупроводниковой индустрией.

Квантовый процессор на кремнии с цифровым управлением

Группа под руководством профессора Либерта Вандерсейпена из Делфтского технического университета создала чип, содержащий два кубита на основе квантовых точек в кремнии. Уникальность разработки в том, что все операции — инициализация, считывание и вентили — выполняются с помощью цифровых сигналов, а не аналоговых. Это позволило достичь точности однокубитных операций 99,9% и двухкубитных — 99,2%, что сравнимо с лучшими показателями сверхпроводящих кубитов.

Процессор работает при температуре около 0,1 Кельвина, но использует стандартные полупроводниковые технологии. Ключевой элемент — так называемая «цифровая микропрограмма», которая заменяет аналоговые генераторы импульсов. Вместо плавного изменения напряжения исследователи применяют последовательность дискретных шагов, что упрощает контроль и уменьшает шумы.

Предыстория и контекст

Кремниевые кубиты считаются перспективными из-за совместимости с существующей полупроводниковой индустрией. Однако до сих пор управление ими требовало сложной аналоговой электроники, которую трудно масштабировать. Предыдущие рекорды точности для кремниевых кубитов не превышали 99% для двухкубитных операций. Новая работа впервые показывает, что цифровое управление может быть не хуже, а в некоторых аспектах даже лучше аналогового.

Интерес к квантовым вычислениям на кремнии подогревается инвестициями таких гигантов, как Intel и IBM. Intel, в частности, активно развивает кремниевые спиновые кубиты. Однако до сих пор не было продемонстрировано полностью цифровое управление с такой точностью.

Как работает цифровое управление кубитами на кремнии?

В основе лежат спиновые кубиты — каждый кубит представляет собой спин одного электрона, захваченного в квантовой точке. Цифровое управление означает, что все операции задаются последовательностью логических уровней (0 и 1), а не аналоговым напряжением. Исследователи разработали специальную микропрограмму, которая генерирует нужные импульсы с точностью до наносекунд. Это снижает влияние электрических шумов и упрощает интеграцию с классической электроникой.

Для двухкубитного вентиля используется обменное взаимодействие между соседними спинами, которое также контролируется цифровым способом. Считывание состояния кубита производится через квантовую точку, подключённую к измерительному резонатору — всё в рамках цифрового протокола.

Технические подробности и сравнение с конкурентами

Точность 99,9% для однокубитных и 99,2% для двухкубитных операций ставит кремниевый процессор на один уровень со сверхпроводящими кубитами от Google или IBM. Однако у кремния есть преимущество: технология производства уже отлажена десятилетиями. Процессор изготовлен по стандартному КМОП-процессу, что потенциально позволяет выпускать миллионы кубитов на одном чипе.

Для сравнения, сверхпроводящие кубиты требуют экзотических материалов и сложной литографии, а их размеры составляют десятки микрометров. Кремниевые квантовые точки занимают нанометровую область, что обещает более высокую плотность. Кроме того, цифровое управление устраняет необходимость в прецизионных аналоговых ЦАПах, которые дороги и громоздки.

Кого затронет и как

Разработка в первую очередь важна для исследовательских групп и компаний, работающих над квантовыми компьютерами. Она может ускорить создание прототипов с десятками кубитов, управляемых стандартной цифровой логикой. Для бизнеса это означает более короткий путь к коммерческим квантовым решениям, особенно в области криптографии и моделирования материалов.

В России и СНГ квантовые вычисления активно развиваются в рамках дорожной карты «Квантовые вычисления» (Росатом, МГУ). Хотя данная работа зарубежная, она задаёт ориентир для отечественных проектов, таких как квантовый процессор на ионах или сверхпроводниках. Кремниевый подход может быть интересен российским полупроводниковым фабрикам, если они смогут адаптировать свои процессы.

Что будет дальше

Следующий шаг — масштабирование до 10–20 кубитов и демонстрация квантовых алгоритмов, например, факторизации или поиска. Авторы планируют интегрировать цифровое управление с классическим контроллером на том же чипе. Если точность удастся сохранить при увеличении числа кубитов, кремниевые квантовые процессоры могут стать основой для практических квантовых компьютеров в течение 5–10 лет.

Итог

Работа в Nature показывает, что квантовые вычисления на кремнии выходят на новый уровень точности и управляемости. Цифровое управление — ключ к масштабированию, и этот прорыв приближает эру практических квантовых компьютеров. Следите за развитием: возможно, именно кремний станет основой для квантового превосходства.