Команда из Университета Суррея предложила проект кубита на сверхтекучем гелии для снижения уровня ошибок в квантовых вычислениях

ГИЛФОРД, Великобритания — Исследователи из Университета Суррея представили новый концептуальный проект квантового бита, или кубита, использующий сверхтекучий гелий для значительного снижения уровня ошибок в квантовом оборудовании, согласно материалу, опубликованному 8 сентября 2026 года изданием phys.org. Предложенная архитектура решает одну из самых острых проблем в квантовой информатике: уязвимость физических кубитов к шуму окружающей среды, приводящую к деградации квантового состояния и вычислительным ошибкам. Используя свойства жидкого гелия, охлажденного почти до абсолютного нуля — отсутствие трения и когерентность, — исследовательская группа из Суррея стремится создать новую физическую платформу, способную ускорить путь к отказоустойчивым крупномасштабным квантовым компьютерам.

## Key facts - Исследователи из Университета Суррея разработали концептуальную архитектуру кубита, использующую физические свойства сверхтекучего гелия. - Конструкция предназначена для смягчения декогеренции и операционного шума, которые в настоящее время заставляют разработчиков квантового оборудования использовать громоздкие протоколы коррекции ошибок. - Жидкий гелий-4 переходит в сверхтекучее состояние в своей лямбда-точке при температуре около 2.17 Kelvin (-270.98 degrees Celsius), где его вязкость падает ровно до нуля. - Стандартные сверхпроводниковые квантовые процессоры, например, на базе трансмонных кубитов, работают внутри рефрижераторов растворения при сверхнизких температурах от 10 до 15 millikelvin. - Концептуальная разработка создана на фоне широких международных инвестиций в квантовое оборудование, включая десятилетнюю Национальную квантовую стратегию Великобритании объемом £2.5 billion, рассчитанную с 2023 по 2033 год.

## What happened Исследовательская группа из Университета Суррея сформулировала теоретическую и концептуальную базу для кубита, в качестве основной среды которого используется сверхтекучий гелий. В классических вычислениях бит существует строго как бинарный ноль или единица. Квантовый бит, напротив, опирается на квантово-механические принципы, такие как суперпозиция и запутанность, что позволяет ему находиться в комбинации состояний одновременно, обеспечивая экспоненциальное преимущество при решении определенных математических задач.

Однако существующие физические реализации кубитов — будь то сверхпроводящие схемы, захваченные ионы или полупроводниковые квантовые точки — чрезвычайно хрупки. Малейшие помехи от окружающей тепловой энергии, рассеянного электромагнитного излучения или дефектов материала на атомном уровне приводят к потере кубитами своих квантовых свойств — феномену, известному как декогеренция. При возникновении декогеренции сохраняемая информация искажается, что приводит к ошибкам в вычислениях.

Согласно материалу phys.org, концептуальный проект Университета Суррея предлагает инновационный structural-подход к изоляции кубита от этих внешних возмущений. За счет использования сверхтекучего гелия — состояния вещества, при котором жидкий гелий течет с нулевой механической вязкостью и проявляет макроскопическую квантовую когерентность, — конструкция создает исключительно «тихую» криогенную подложку. Теоретическая архитектура минимизирует нежелательную диссипацию энергии и дефазировку, что потенциально позволяет квантовой информации сохраняться значительно дольше, чем в традиционных твердотельных устройствах.

## Why it matters Главным препятствием, мешающим квантовым компьютерам решать сложные практические задачи — такие как моделирование молекулярных структур для передовой фармакологии, оптимизация глобальных логистических сетей или взлом современных криптографических алгоритмов, — является масштабирование оборудования. Хотя современные квантовые процессоры содержат от десятков до сотен физических кубитов, текущий уровень ошибок остается слишком высоким для продолжительных самостоятельных вычислений. Уровень ошибок двухкубитовых вентилей в ведущих сверхпроводниковых системах обычно колеблется в пределах от 0.1 percent до 1 percent.

Для достижения надежных вычислений системы должны использовать квантовую коррекцию ошибок (QEC). Протоколы QEC объединяют десятки, сотни или даже тысячи физических кубитов для создания одного высоконадежного «логического кубита». При текущих порогах ошибок для создания коммерчески жизнеспособного квантового компьютера с несколькими тысячами логических кубитов потребуется система, включающая миллионы физических кубитов. Такой масштаб создает огромные инженерные барьеры, включая требования к экстремальному охлаждению, сложную микроволновую проводку управления и высокое энергопотребление.

Если концепт кубита на сверхтекучем гелии Университета Суррея обеспечит даже скромное снижение уровня физических ошибок, это может кардинально изменить динамику масштабирования. Более низкий уровень собственных физических ошибок снижает накладные расходы — количество физических кубитов, необходимых для резервирования каждого логического кубита. Сокращение этого соотношения на порядок позволит производителям квантового оборудования достичь отказоустойчивых квантовых вычислений с использованием кардинально меньших физических процессоров, что снизит сложность производства оборудования и эксплуатационные расходы.

## The background Физика сверхтекучести насчитывает почти век. В 1937 году физики Pyotr Kapitsa в Москве, а также John F. Allen и Don Misener в Кембридже независимо друг от друга обнаружили, что жидкий гелий-4 переходит в сверхтекучее состояние при охлаждении ниже 2.17 Kelvin — границы, известной как лямбда-точка. В этом режиме атомы гелия конденсируются в единое макроскопическое квантовое основное состояние, описываемое единой волновой функцией. Сверхтекучий гелий проводит тепло практически мгновенно, не обладает измеримой вязкостью и способен ползти в виде микроскопической пленки по стенкам содержащего его сосуда.

За последние два десятилетия физики периодически исследовали жидкий гелий как идеальную среду для квантовых экспериментов. Одним из примечательных направлений были «электроны на гелии», когда отдельные электроны захватываются над поверхностью жидкого гелия собственными зарядами изображения и удерживаются на месте внешними электростатическими полями. Поскольку жидкий гелий практически не содержит атомных примесей, обладает нулевым ядерным спином и сохраняет исключительно гладкую жидкую поверхность без кристаллических дефектов, взвешенные над ним электроны испытывают крайне низкий магнитный и электрический шум.

Несмотря на эти привлекательные физические особенности, твердотельные подходы вырвались далеко вперед в глобальной гонке за квантовое превосходство. Сверхпроводящие схемы на основе джозефсоновских переходов, созданные в конце 1990-х — начале 2000-х годов, выиграли от отработанных методов полупроводниковой литографии, что позволило таким компаниям, как IBM, Google и Rigetti, быстро масштабировать конструкции чипов. Аналогично, системы на захваченных ионах, разработанные такими компаниями, как IonQ и Quantinuum, использовали точный лазерный контроль для достижения высокой точности работы вентилей. Тем не менее, поскольку как сверхпроводящие системы, так и системы на захваченных ионах приближаются к инженерным пределам, связанным с перекрестными помехами, дефектами материалов и плотностью проводки, альтернативные физические архитектуры, включая нейтральные атомы, топологические кубиты и системы на жидком гелии, вновь оказываются в центре внимания исследовательских институтов по всему миру.

## Reaction Хотя команда Университета Суррея представила многообещающий теоретический путь, физики-экспериментаторы и квантовые инженеры подчеркивают, что концептуальные проекты кубитов представляют собой лишь начальный этап длительного цикла разработки. Академические исследователи в области квантовой информатики обычно оценивают новые предложения по кубитам на основе строгих математических доказательств управления состоянием, детального моделирования шумов и осуществимости в стандартных лабораторных условиях.

Специалисты отрасли отмечают, что воплощение концепций сверхтекучего гелия в физическое оборудование создает уникальные инженерные проблемы в области микрофлюидики и криогеники. Эксплуатация систем с жидким гелием при милликельвиновых температурах внутри рефрижераторов растворения требует сверхточного управления давлением, специализированного акустического демпфирования и передовых микроэлектромеханических систем (MEMS) для работы с жидкостью без создания механической турбулентности.

Кроме того, государственные исследовательские организации Великобритании, действующие в рамках правительственной Национальной квантовой стратегии стоимостью £2.5 billion, все больше внимания уделяют проектам, связывающим теоретическую физику и практическое производство. Наблюдатели рассчитывают, что специалисты по квантовому оборудованию тщательно изучат предложение команды из Суррея на предстоящих научных симпозиумах, чтобы оценить, сможет ли эта конструкция эффективно взаимодействовать с существующей микроволновой управляющей электроникой или оптическими системами считывания.

## What we don't know yet Некоторые технические детали относительно проекта кубита Университета Суррея остаются неподтвержденными: - Точный физический механизм, используемый для кодирования квантовых состояний внутри или над средой сверхтекучего гелия (например, использует ли кубит электронные спиновые состояния, поверхностные акустические волны или квантованные вихревые линии), не описан подробно в предварительном отчете. - В рамках проекта еще не опубликованы эмпирические измерения времени релаксации энергии (T1) или времени дефазировки (T2), поскольку эти показатели требуют создания физического прототипа и тестирования в криогенной среде. - Точная архитектура управления для выполнения однокубитовых и двухкубитовых вентильных операций остается неподтвержденной. Неясно, будет ли манипулирование состоянием опираться на радиочастотные импульсы, микроволновые резонаторы или сфокусированные лазерные оптические пинцеты. - Совместимость конструкции со стандартными процессами производства полупроводников остается неизвестной. Разработчики должны определить, могут ли ячейки кубитов на сверхтекучем гелии производиться серийно на кремниевых или сапфировых пластинах вместе с классической схемой считывания.

## What to watch Ключевые события, за которыми стоит следить в ближайшие месяцы, включают: - Официальная публикация рецензируемой статьи исследовательской группы из Суррея в ведущем научном журнале, в которой будут описаны полная математическая база, физические параметры и геометрия устройства. - Презентации команды Университета Суррея на международных физических конференциях, таких как мартовское заседание American Physical Society (APS), где независимые ученые проанализируют теоретическое моделирование. - Объявления о выделении последующих грантов или о промышленном партнерстве, направленном на создание первого физического прототипа кубита на сверхтекучем гелии. - Экспериментальные усилия конкурирующих криогенных и квантовых исследовательских центров, стремящихся воспроизвести или адаптировать подложки из сверхтекучего гелия для изоляции квантовых состояний.

Этот материал основан на оригинальном репортаже phys.org.