Слово «атом» у большинства из нас ассоциируется с чем-то микроскопическим и существующим в природе. Но физики давно вышла за эти рамки, ученые проектируют и создают искусственные атомы — крошечные электронные схемы, которые ведут себя как настоящие квантовые объекты.
В статье разбираем, что такое искусственный атом и почему он стал одним из главных инструментов в гонке за квантовым превосходством.
Что такое искусственный атом?
Настоящие атомы (водорода, рубидия и другие) имеют дискретный набор энергетических уровней. Электрон может находиться только на определенных орбитах, и, перескакивая с одной на другую, он излучает или поглощает фотон строго определенной частоты. Это основа квантовой физики.
У настоящих атомов есть недостатки:
- Их нельзя настраивать — частоты переходов жестко заданы природой.
- Их трудно удержатьв одном месте и заставить взаимодействовать с чипом.
- С ними сложно работать в больших количествах, необходимых для квантового компьютера.
Решение пришло из индустрии сверхпроводников. В начале 2000-х годов исследователи из США и Японии предложили делать «атомы» на кремниевых чипах.
Искусственный атом — это крошечный контур из сверхпроводящего металла (например, алюминия), охлажденный до температуры в тысячные доли градуса выше абсолютного нуля. Ключевой элемент этого контура — джозефсоновский переход.
Джозефсоновский переход — это «бутерброд» из двух сверхпроводников с микроскопическим изолятором между ними. Электронные пары (куперовские пары) могут проскакивать через этот изолятор благодаря квантовому эффекту — туннелированию.
Благодаря джозефсоновским переходам электрический ток в таком контуре не может быть любым. Он течет только определенными порциями, точно так же, как электрон в атоме может иметь только определенную энергию.
Таким образом, инженеры создают микроскопическую электрическую цепь, у которой, как и у атома, есть основное состояние (самый низкий уровень энергии) и возбужденные состояния. Это и есть искусственный атом — «кубит» в терминах квантовых вычислений.
Главные преимущества:
- Масштабируемость. Искусственные атомы можно «печатать» на кремниевых подложках, используя ту же литографию, что и для обычных процессоров. На одном чипе можно разместить десятки и сотни таких атомов.
- Настраиваемость. В отличие от реальных атомов, частоту переходов искусственного можно менять, подавая магнитное поле или изменяя напряжение. Это позволяет «на лету» перенастраивать квантовые схемы.
- Сильное взаимодействие со светом. Искусственные атомы могут рассеивать до 94% падающего на них микроволнового излучения — это в десятки раз больше, чем способен рассеять обычный атом.
Эволюция искусственных атомов
История искусственных атомов насчитывает уже более 25 лет. За это время сменилось несколько поколений устройств.
Первое поколение (1999 год). Коробка Куперовских пар
В 1999 году японские исследователи из NEC (группа Ясунори Накамуры) впервые наблюдали когерентные осцилляции в искусственном атоме. Это был прорыв — они доказали, что макроскопическая цепь может вести себя как квантовый объект. Однако коробка Куперовских пар была чрезвычайно чувствительна к зарядовому шуму — случайным флуктуациям электрического заряда в подложке. Время жизни кубита составляло буквально несколько наносекунд.
Второе поколение (2007 год). Трансмон
Решение пришло от группы Роба Шелькопфа. Они добавили большой шунтирующий конденсатор параллельно джозефсоновскому переходу. Это сделало искусственный атом практически нечувствительным к зарядовому шуму, но ценой снижения ангармоничности (разницы между энергиями переходов). Сегодня трансмон — самый распространенный тип кубита. Именно трансмон используется в процессорах Google Sycamore и IBM Quantum.
Третье поколение (2009 год). Флюксониум
В 2009 году Владимир Манучарян представил альтернативу — флюксониум. Вместо большого конденсатора этот кубит использует супериндуктивность — цепочку из 100 и более джозефсоновских переходов, соединенных последовательно. Это дало лучшее из двух миров: высокую ангармоничность и защиту от шума.
В 2019 году группа Манучаряна продемонстрировала флюксониум с временем когерентности около 100 микросекунд — в 10 раз больше, чем у предыдущих версий.
Сколько живет кубит
Время когерентности (то, как долго кубит может хранить квантовую информацию) — главная метрика качества. За 25 лет развития технологии этот показатель вырос:
- 1999 год (Cooper-pair box). Менее 2 нс — время жизни было настолько коротким, что для наблюдения осцилляций требовались пикосекундные импульсы.
- 2007 год (Transmon). Примерно 1 мкс — шунтирующий конденсатор кардинально улучшил ситуацию.
- 2014 год. Примерно 50 мкс — улучшение материалов и технологии.
- 2019 год (Fluxonium). Примерно 100 мкс — новый рекорд для флюксониума.
- 2024-2025 годы. 1 миллисекунда — современные изолированные кубиты достигают этого рубежа.
Для сравнения: время выполнения одной квантовой операции (вентиля) составляет около 50-100 наносекунд. Это означает, что за время когерентности можно выполнить до 10 000 операций — достаточно для реализации алгоритмов коррекции ошибок.
Кубиты, кутриты и кудиты
Когда мы говорим о компьютерах, то привыкли к битам — единицам информации, которые могут принимать только два значения: 0 или 1. В квантовых компьютерах эту роль играют кубиты (квантовые биты) — системы, которые могут находиться не только в состояниях 0 или 1, но и в любой их суперпозиции. Это дает квантовым компьютерам колоссальное преимущество в скорости решения определенных задач.
Но можно ли создать квантовую систему не с двумя, а с тремя, четырьмя или даже десятью состояниями? Именно так появились кутриты и кудиты — новое поколение квантовых вычислительных элементов.
Кутрит позволяет хранить больше информации на одном физическом объекте и, что важнее, выполнять сложные операции за один шаг вместо нескольких. Это сокращает время вычислений и снижает количество ошибок декогеренции.
Почему их не используются повсеместно? Управлять системой с тремя и более уровнями сложнее, так как нужна более точная электроника, а энергетические уровни могут «мешать» друг другу. Кроме того, для кудитов пока не разработаны эффективные протоколы коррекции ошибок. Поэтому большинство экспериментов ограничиваются кутритами, которые уже реализованы в лабораториях на сверхпроводниковых чипах и дают реальный выигрыш в скорости и точности.
Интересные факты об искусственных атомах
Гигант среди атомов: как 1 миллиард атомов алюминия играют роль одного
Один из самых удивительных фактов об искусственных атомах — это их размер. Если настоящий атом имеет диаметр около 0,3–0,4 нанометра, то сверхпроводниковый искусственный атом — это микросхема размером примерно 1 микрометр, то есть больше настоящего атома в тысячи раз.
Такой искусственный атом состоит примерно из 1 миллиарда атомов алюминия, которые «договариваются» вести себя как один-единственный атом.
Такое возможно из-за сверхпроводимости. При сверхнизких температурах электроны в алюминии объединяются в куперовские пары и начинают двигаться согласованно, без сопротивления. Эта коллективная квантовая когерентность позволяет всей системе из миллиарда атомов проявлять простые квантовые свойства — словно это один атом, только гораздо более крупный.
Графеновый атом: четыре состояния вместо двух
Большинство искусственных атомов, созданных из обычных полупроводников (например, арсенида галлия), могут находиться только в двух энергетических состояниях. Но ученые создали нечто особенное — искусственный атом на базе графена, который находится в четырех квантовых состояниях одновременно.
У графена, двумерного углеродного материала толщиной в один атом, очень высокая симметрия кристаллической решетки. Это позволяет электронам занимать четыре разных квантовых состояния с одинаковой энергией.
Создать такой атом непросто. Если просто вырезать крошечный кусочек графена, его края нарушают симметрию, и четыре состояния «схлопываются» в обычные два. Поэтому ученые использовали комбинацию электрического и магнитного полей. Острие сканирующего туннельного микроскопа создавало электрическую ловушку, а магнитное поле заставляло электроны вращаться по круговым орбитам, не давая им «сбежать».
Четыре состояния — это больше информации на один атом. Можно создавать более мощные квантовые системы. Такие атомы сохраняют заданную суперпозицию очень долго — идеальное свойство для кубитов.
Магнитный транзистор на одном искусственном атоме
Еще одно удивительное применение искусственных атомов — спинтроника. В 2002 году канадские ученые из Института исследования микроструктур в Оттаве (группа Павла Гавриляка) создали прототип транзистора на основе «квантовой точки» — разновидности искусственного атома.
Квантовая точка (область, удерживающая около дюжины электронов) под воздействием магнитного поля начинает вести себя как транзистор. Она пропускает электроны только с одним направлением спина («вверх») и блокирует электроны с противоположным спином («вниз»). Это и есть основа спинтронного транзистора.
В отличие от обычных транзисторов, которые «забывают» информацию при выключении питания, спинтронные устройства сохраняют данные. Это делает их чрезвычайно перспективными для создания энергонезависимой памяти нового поколения.
Рекордная «жизнь»: 50 минут квантовой когерентности
Одна из главных проблем квантовых систем — это декогеренция. Квантовое состояние очень хрупко, оно «разваливается» от малейшего взаимодействия с окружающей средой. Обычно время жизни кубитов измеряется микросекундами или миллисекундами.
В 2025 году ученые смогли удерживать и контролировать ридберговские атомы (атомы в высоковозбужденном состоянии) в течение 3000 секунд — примерно 50 минут при комнатной температуре.
Они поместили атомы в вакуумную камеру со специальным покрытием из меди, охлажденной до -269°C. Эта холодная медь выполняла двойную функцию: минимизировала тепловое воздействие и «захватывала» остаточные частицы воздуха, создавая сверхвысокий вакуум. Сами атомы удерживались лазерными пинцетами.
Хотя ридберговские атомы — это не совсем искусственные атомы в том смысле, который мы обсуждали, этот результат важен для квантовой индустрии. Он показывает, что можно кардинально продлить «жизнь» квантовой информации, приближая создание практичных квантовых компьютеров и симуляторов.
Искусственный атом как сверхчувствительный сенсор
Искусственные атомы — это не только вычислительные устройства, но и невероятно чувствительные датчики. Область, которая изучает использование квантовых систем для измерений, называется квантовой метрологией.
На семинаре в сентябре 2025 года российские ученые из ВНИИА представили результаты по магнитометрии с использованием трансмона. Они использовали кубит для измерения магнитного поля и показали, что квантовый сенсор превосходит классические аналоги. Использование кутрита (трехуровневой системы) дает дополнительное преимущество в точности по сравнению с двухуровневым кубитом.
Это означает, что искусственные атомы могут стать основой для магнитометров, способных видеть активность отдельных нейронов или залежи полезных ископаемых.
Самые большие враги искусственного атома
У любой технологии есть свои проблемы, и искусственные атомы не исключение. Главный враг кубитов — это двухуровневые дефекты (Two-Level Systems, TLS).
В материалах, из которых сделан кубит (особенно в оксидных слоях и на границах раздела сред), существуют случайные квантовые объекты с двумя энергетическими уровнями. Это могут быть изолированные атомы водорода, дефекты кристаллической решетки или другие микроскопические несовершенства.
Когда энергетический переход в кубите случайно совпадает с энергией такого дефекта, они начинают обмениваться энергией. Когерентное состояние кубита разрушается — это называется декогеренцией. Время жизни кубита может упасть в десятки раз.
Как с этим борются:
- Создание «сладких точек» (sweet spots) — таких значений внешнего поля, где кубит наименее чувствителен к шуму.
- Улучшение чистоты материалов и технологии изготовления.
- Использование 3D-резонаторов, которые экранируют кубит от внешнего шума.
Итак, искусственные атомы становятся идеальным полигоном для проверки фундаментальных законов квантовой физики. Мы можем создавать атомы с нужными нам свойствами, «играть» с ними и наблюдать эффекты, которые в реальном мире либо слишком слабы, либо заглушены шумами.