Есть контакт! Что такое джозефсоновский контакт и зачем он миру

Половина Нобелевской премии по физике 2025 года была присуждена Джону Кларку — за фундаментальные эксперименты по наблюдению макроскопических квантовых эффектов в электрических цепях. Вторую поделили Мишель Деворе и Джон Мартинис, создавшие сверхпроводящие кубиты и первые работающие квантовые процессоры. В этом тандеме Деворе выступает как архитектор квантовых схем и автор фундаментальных концепций, а Мартинис — как инженер, доведший идеи до практической реализации.

Макроквантум

В 1957 году Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер предложили элегантную теорию сверхпроводимости (теория БКШ), за которую в 1972 году получили Нобелевскую премию. Ключевая идея заключалась в том, что электроны в сверхпроводнике перестают быть «одиночками». Вместо этого они объединяются в пары Купера с помощью механизма фононного посредничества: электрон деформирует решетку, образуется квазичастица деформации — фонон, который создает область избыточного положительного заряда. К этой области притягивается второй электрон, в результате чего два электрона, которые в вакууме бы отталкивались, образуют связанную пару.

Эти пары — не просто два электрона рядом. Это единая квантовая сущность, ведущая себя как одна частица (бозон). И самое главное — все куперовские пары в сверхпроводнике пребывают в одном и том же квантовом состоянии. Фундаментальная идея теории в том, что весь этот гигантский ансамбль можно описать единой волновой функцией, как будто это одна частица. Именно общая волновая функция и заставляет их двигаться идеально согласованно — как синхронизированный балет. Это позволяет им обтекать любые дефекты решетки без потерь энергии, то есть без сопротивления.

В 1962 году Брайан Джозефсон, будучи всего лишь 22-летним аспирантом в Кембридже, задался вопросом: а что если взять два куска сверхпроводника и разделить их тончайшим слоем изолятора — барьером, который классический ток преодолеть не может? Классическая физика говорит: цепь разорвана, тока не будет.

Но Джозефсон предположил иное: что куперовские пары могут туннелировать через изолятор, создавая ток даже без всякого приложенного напряжения (стационарный эффект Джозефсона). А во-вторых, если приложить к переходу даже небольшое постоянное напряжение, система отвечает не обычным током, а колебаниями тока — что критически важно, со стабильной частотой (нестационарный эффект).

Первым стационарный эффект Джозефсона экспериментально подтвердили Филип Андерсон и Джон Роуэлл в Bell Labs в 1963 году. В том же году Сидни Шапиро увидел нестационарный эффект (ступени Шапиро).

Джон Кларк — тот самый человек, который вскоре превратил предсказание Джозефсона в осязаемый инструмент. Например, еще во время работы над докторской диссертацией в Кембридже он создал сверхчувствительный вольтметр, который назвал SLUG (сверхпроводящий малоиндуктивный волновой гальванометр). Позже он сконструировал вольтметр, способный измерять напряжение до 10 фемтовольт (10-15 вольта), что в 100 тысяч раз превосходило чувствительность приборов того времени. Его разработки легли в основу сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИД), которые уже в 1969 году начали применяться в геологоразведке.

Джозефсоновский переход перевел понятие электрического напряжения в понятие частоты — величину, которую уже можно измерять с высочайшей точностью. Благодаря экспериментальным прорывам Кларка, нестационарный эффект Джозефсона лег в основу работы квантовых вольтметров, позволяющих измерять напряжение с погрешностью 0,0000001%. Более того, он предоставил самый точный на сегодняшний день метод воспроизведения единицы электрического напряжения — вольта — через фундаментальные константы.

Старые эталоны вольта основывались на нестабильных электрохимических элементах (нормальный элемент Вестона), которые «старели», зависели от температуры и давления. Кларк и другие исследователи показали, что если облучить джозефсоновский переход микроволновым излучением с очень стабильной и точно известной частотой f (например, от атомных часов), то на его вольт-амперной характеристике появятся горизонтальные «ступени» напряжения, так называемые ступени Шапиро. Напряжение на этих ступенях будет квантоваться по формуле V = n × (h/2e) × f, где n — номер ступени, а h и e — постоянная Планка и заряд электрона.

Главная проблема была в том, что напряжение от одного перехода было очень маленьким, микровольтовым. Чтобы получить 1 вольт, нужно было соединить в последовательную цепь тысячи джозефсоновских переходов, заставить их всех работать синхронно и облучить их микроволнами так, чтобы все они «встали» на одну и ту же ступеньку напряжения. Естественно, Кларк стал одним из пионеров технологии создания таких массивов.

Это измерение было настолько надежным, что вошло в набор ключевых экспериментов, которые комитет по данным Международного совета по науке (CODATA) использовал для вычисления фундаментальных физических констант. А с 1990 года именно таким методом задавался стандарт вольта в Международной системе единиц (СИ), хотя фактически он привязывал единицу измерения напряжения к постоянной Джозефсона, а не к амперу и секунде — базовым единицам СИ. После реформы СИ 2019 года джозефсоновский стандарт напряжения перестал быть определением вольта, но остался его лучшей практической реализацией — эталон вольта и впредь воспроизводится в лабораториях этим методом.

От эффектов к кубитам

Чтобы получить хороший кубит, необходимо решить две фундаментальные проблемы. Первая — добиться того, чтобы у него было ровно два изолированных состояния для кодирования информации. Вторая, не менее важная,— защитить его хрупкое квантовое состояние от разрушительного воздействия окружающей среды, известного как декогеренция.

С точки зрения электротехники ключ к решению первой проблемы лежит в джозефсоновском контакте. Он ведет себя не как обычная катушка с постоянной индуктивностью, а как нелинейная индуктивность, значение которой зависит от протекающего тока. Именно этот физический эффект открыл дорогу к созданию сверхпроводниковых кубитов.

Представим себе обычный LC-контур, аналог простых качелей в электронике. В этой схеме из катушки и конденсатора энергия постоянно перетекает от электрического поля к магнитному и обратно. Если такой контур охладить до сверхнизких температур, его энергия начнет квантоваться, образуя дискретные уровни, словно ступеньки лестницы. Можно было бы сказать, что нижняя ступенька — это состояние |0⟩, а следующая — |1⟩. Но здесь возникает сложность: в такой системе все «ступеньки» находятся на одинаковом расстоянии друг от друга. Это гармонический осциллятор. Если попытаться подтолкнуть систему с уровня |0⟩ на |1⟩ микроволновым импульсом, то с той же легкостью она перейдет с |1⟩ на |2⟩, и так далее. Изолировать только два нужных состояния не получится.

Решением стало использование джозефсоновского перехода вместо обычной катушки. Его нелинейность делает энергетическую «лестницу» неравномерной. Теперь расстояние между уровнями |0⟩ и |1⟩ отличается от расстояния между |1⟩ и |2⟩. Это позволяет настроить микроволновый импульс на совершенно определенную частоту, которая будет резонансной только для перехода |0⟩ ↔ |1⟩, не затрагивая другие уровни.

Однако даже создав идеальную двухуровневую систему, мы сталкиваемся с проблемой декогеренции. Источников шума, разрушающего квантовое состояние, множество. Это и случайные флуктуации электромагнитных полей, и остаточные тепловые колебания в материалах чипа, и микроскопические дефекты на его поверхности, где случайные заряды создают помехи.

Даже высокоэнергетические частицы из космоса или шум от самой управляющей аппаратуры могут привести к потере информации. Первые поколения сверхпроводящих кубитов, зарядовые и фазовые, были особенно чувствительны к малейшим флуктуациям, и время их когерентности было крайне малым.

И тут на сцену выходит трансмон — блестящая идея ученых из Йельского университета во главе с Мишелем Деворе и Робертом Шелкопфом. К джозефсоновскому переходу они просто добавили очень большую емкость. Это было простое решение, но оно дало грандиозный эффект.

Большая емкость делает кубит почти нечувствительным к зарядовому шуму. Да, уровни становятся немного менее «неровными», но выигрыш во времени когерентности оказался колоссальным. Именно трансмон стал тем самым сверхпроводящим кубитом, который сегодня используется по всему миру.

Но одной идеи мало — ведь вам нужен работающий прибор. А этой проблемой занимался уже Джон Мартинис. Его команда в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре внесла ключевой вклад в инженерное развитие трансмонов.

Среди блестящих инженерных решений и достижений команды Мартиниса следует особенно отметить знаменитую крестообразную (X-образную) геометрию трансмона. Она позволила легко соединять кубиты друг с другом на чипе и индивидуально управлять каждым из них.

Группой Мартиниса были созданы сложнейшие системы микроволновых линий для отправки точнейших импульсов, которые переводят кубит в нужные состояния, и специальные резонаторы для считывания результата.

А когда Мартинис освоил мастерство создания безупречных кубитов, перед Деворе и его группой встала следующая, не менее сложная задача: как превратить этот набор отдельных квантовых элементов в работающую, взаимосвязанную схему? Просто иметь хорошие кубиты было недостаточно — их нужно было заставить «общаться» друг с другом.

Прорыв Деворе состоял в разработке сверхпроводящей схемотехники. Они не стали изобретать велосипед, а адаптировали для своих целей мощнейший инструмент из арсенала атомной физики, разработанный еще в 1980-х годах.

Идея атомных физиков заключалась в следующем. Чтобы заставить очень хрупкий и чувствительный атом сильно взаимодействовать со светом (фотоном), нужно создать для них особые условия. Для этого атом помещают в «зеркальную коробку» — резонатор с почти идеальными отражающими стенками. Попавший внутрь фотон не улетает, а оказывается в ловушке, многократно отражаясь и снова и снова пролетая мимо атома. Это многократное «общение» резко усиливает их взаимодействие, позволяя точно измерять состояние атома и управлять им. Эта методика оказалась настолько фундаментальной для понимания и управления квантовыми системами, что ее создатель Серж Арош в 2012 году получил за нее Нобелевскую премию.

Деворе понял, что этот принцип — усиление взаимодействия через резонатор — идеально подходит для мира сверхпроводниковых схем. Их резонатор стал своего рода «квантовой шиной» или общей переговорной комнатой, где запертый микроволновый фотон мог служить посредником, передавая информацию между разными кубитами. Таким образом, команда Деворе заменила атом на сверхпроводящий кубит, а «зеркальную коробку» — на микроскопический резонатор на чипе, перенеся эту идею из вакуумных установок в твердотельную электронику.

Резонатор действует как фильтр, защищая хрупкий кубит от большинства внешних шумов, пропускает нужные для работы сигналы и используется для управления кубитом, а также считывает сигнал за счет того, что изменение состояния кубита изменяет резонансную частоту.

Квантовые машины

История о сверхпроводящих схемах была бы неполной без упоминания еще одного направления, где технологии, отточенные при создании кубитов, нашли неожиданное применение. Речь идет о попытках создать «кота Шрёдингера» — перевести в состояние квантовой суперпозиции не просто электрический сигнал, а реальный макроскопический физический объект.

В 2010 году команда ученых из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре совершила исторический прорыв, который журнал Science назвал прорывом года. В группе, возглавляемой профессорами Эндрю Клеландом и Джоном Мартинисом, аспирант Аарон О’Коннел впервые в истории смог продемонстрировать квантовое поведение объекта, видимого невооруженным глазом.

Команда создала крошечный механический резонатор — микроскопическую «качельку» из пьезоэлектрического материала. Ее охладили до основного квантового состояния (полного «покоя») и затем управляли ее состоянием на уровне отдельных квантов вибрации (фононов).

Резонатор Клеланда был электрически соединен со сверхпроводящим фазовым кубитом. Тот работал сверхчувствительным манипулятором и измерительным прибором. Сначала О’Коннел с помощью кубита убедился, что резонатор остыл до своего основного состояния |0⟩. Затем, переведя кубит в состояние суперпозиции (|0⟩ + |1⟩), он передал это состояние механическому резонатору. Резонатор был специально спроектирован так, чтобы частота его колебаний совпадала с частотой перехода кубита между состояниями |0⟩ и |1⟩. Это обеспечило возможность передачи квантового состояния от кубита, который был электрически соединен с резонатором.

После получения состояния от кубита микроскопическая «качелька», состоящая из триллионов атомов, одновременно и вибрировала, и находилась в состоянии покоя. Чтобы доказать, что макроскопический резонатор действительно находился в квантовой суперпозиции, ученые использовали тот же кубит, но уже в качестве измерительного прибора — состояние резонатора считывалось путем наблюдения за кубитом. После того как состояние было передано резонатору, его на короткое время оставили «эволюционировать» самостоятельно. Затем связь между резонатором и кубитом восстановили, и состояние резонатора было передано обратно на кубит. Измерив конечное состояние кубита, ученые смогли восстановить информацию о том, в каком состоянии находился резонатор в промежуточный момент времени.

Многократное повторение этого эксперимента с последующим измерением состояния кубита позволило с высокой точностью охарактеризовать состояние резонатора и подтвердить, что оно обладало всеми признаками квантовой суперпозиции: резонатор не просто случайным образом то колебался, то покоился, а находился в обоих этих состояниях одновременно.

Это был первый случай, когда макроскопический объект удалось подчинить квантовым законам. Эксперимент открыл целое новое поле исследований — квантовую электромеханику, где сегодня создаются, например, сверхчувствительные датчики для поиска темной материи.

В начале истории создания квантовых компьютеров

К середине 2010-х годов стало ясно, что сверхпроводниковые кубиты — не просто лабораторная экзотика. Технология, отточенная Мартинисом и Деворе, достигла уровня, при котором дальнейшее развитие требовало колоссальных инженерных и финансовых ресурсов. Академические лаборатории работали на пределе своих возможностей. Нужны были целые команды инженеров по микроэлектронике, программистов, специалистов по криогенике. И в 2010-е, как только IT-бизнес потеснил нефтяников и финансистов на вершине рыночной капитализации, эти ресурсы нашлись — а мир вступил в эпоху «квантовой гонки».

К 2014 году группа Мартиниса была абсолютным лидером в создании качественных и стабильных многокубитных систем. Они не просто публиковали статьи о системах из двух-трех кубитов; они строили чипы с пятью, а затем и девятью кубитами, демонстрируя рекордно низкие уровни ошибок и длительное время когерентности. Они знали, как бороться с дефектами материалов, как проектировать сложные чипы и как калибровать их с ювелирной точностью.

В 2014 году Google нанял Мартиниса и заявил, что игры с квантовым отжигом закончились — они сами построят настоящий квантовый компьютер. Результатом этой работы стал процессор Sycamore, содержащий 54 кубита, построенных на технологии трансмонов Мартиниса в архитектуре, разработанной Деворе.

В 2019 году в журнале Nature вышла статья, где Мартинис с коллегами заявили о достижении квантового превосходства: Sycamore за 200 секунд выполнил специфическую задачу по выборке случайных чисел, на которую, по их оценкам, у самого мощного на тот момент суперкомпьютера ушло бы 10 тысяч лет.

Однако триумф 2019 года имел и обратную сторону. Вскоре после публикации знаковой статьи, весной 2020 года, Джон Мартинис покинул Google. Этот уход не был мирным и обнажил фундаментальный конфликт в стратегии развития квантовых технологий. Мартинис, как ученый-перфекционист, считал, что после демонстрации превосходства необходимо вернуться к основам и сосредоточить все силы на улучшении качества самих физических кубитов — снижении уровня ошибок еще на порядок. По его мнению, строить большие процессоры из текущих «шумных» кубитов было преждевременно.

Руководство Google, напротив, стремилось быстрее двигаться вперед, масштабировать систему и искать практические применения для уже существующих, пусть и несовершенных, технологий эры NISQ (зашумленных квантовых компьютеров). Этот конфликт — «качество против количества» — привел к тому, что пути Мартиниса и Google разошлись.

Несмотря на это, его наследие неоспоримо. Именно команда под его руководством создала аппаратную платформу, которая впервые в истории доказала, что квантовые вычисления — не просто теория.

На замену Мартинису в Google в 2023 году вышел Деворе, который все то время, что создавался Sycamore, оставался профессором в Йельском университете.

Главный вызов, стоящий сегодня перед всем сообществом, — квантовая коррекция ошибок. Может показаться, что проблема декогеренции актуальна только для твердотельных систем, но она остается ключевой даже для квантовых ловушек. Несмотря на высочайшую степень изоляции удерживаемых в вакууме ионов, абсолютной защиты достичь невозможно. Нестабильность полей, остаточное тепловое движение и случайные взаимодействия с окружением — все это становится источником шума, который разрушает когерентность и мешает вычислениям.

Однако недавние прорывы, подобные работе команды Google Quantum AI, показывают, что путь к полезным квантовым вычислениям не обязательно лежит исключительно через создание идеального, защищенного от ошибок компьютера. Возникает новая парадигма: вместо того чтобы просто бороться с шумом, можно научиться его «обманывать».

Исследователи продемонстрировали, что с помощью изощренных протоколов можно заставить квантовую систему самостоятельно отфильтровывать хаотичные флуктуации и усиливать полезный, содержательный сигнал. Используемые ими квантовые протоколы создают два «пути» для распространения информации, которые могут интерферировать друг с другом, чтобы отфильтровать случайный шум и усилить сигнал от скрытых квантовых корреляций.

Этот подход уже привел к впечатляющим результатам. Та же научная группа показала, что современный, пусть и «шумный», квантовый процессор способен решать специфическую, но важную научную задачу — извлекать скрытые параметры системы — эффективнее, чем самые мощные классические суперкомпьютеры. Это и есть демонстрация практического квантового преимущества, достигнутого не в далеком будущем, а здесь и сейчас.

Они поставили эксперимент по определению параметров неизвестного гамильтониана квантовой системы. Сбор и анализ экспериментальных данных на квантовом процессоре для одного сложного варианта схемы занял 2,1 часа. Ученые оценили, что самый мощный суперкомпьютер в мире решал бы эту задачу 3,2 года. Это означает, что квантовый процессор из 65 кубитов справился примерно в 13 тысяч раз быстрее.

Таким образом, сегодня в квантовой гонке формируются два параллельных, но взаимодополняющих трека. Первый — марафон по созданию логических кубитов, отказоустойчивых информационных единиц, состоящих из тысяч объединенных и постоянно проверяющих друг друга физических кубитов.

Второй — серия спринтов, в которых ученые и инженеры учатся использовать существующие, несовершенные процессоры как инструменты для решения задач, недоступных классическому миру.