Качество важнее количества
Число кубитов остаётся одним из ключевых параметров квантового процессора, однако само по себе оно не определяет его практические возможности. Не менее важны время сохранения квантового состояния, точность однокубитных и двухкубитных операций, уровень ошибок, связность элементов и возможность масштабирования процессора. Именно совокупность этих характеристик позволяет судить о реальной вычислительной мощи устройства и его готовности к решению прикладных задач.
Показательный пример достижений в этой области — флаксониумные кубиты, которые разрабатываются в НИТУ МИСИС совместно с ИНМЭ РАН. В 2025 году они экспериментально продемонстрировали точность однокубитных операций на уровне 99,993%. Это выдающийся результат, подтверждающий высокий потенциал данного направления. Технология изготовления флаксониумов при этом сложнее, чем у широко распространённых трансмонных кубитов: конструкция требует формирования цепочек из десятков джозефсоновских переходов — контактов двух сверхпроводников, разделённых тонким слоем диэлектрика или слабой связью. Несмотря на технологическую сложность, именно такой подход открывает путь к созданию более надёжных и точных квантовых вычислителей.
Материалы как часть вычислительной системы
Для сверхпроводниковых кубитов свойства материалов непосредственно связаны с параметрами вычислений. Дефекты в структуре материала или на его поверхности могут провоцировать потери квантовой информации. Именно поэтому исследование материалов, технологии нанесения тонких плёнок, изготовление микроструктур и контроль поверхности становятся неотъемлемой частью разработки самого вычислительного устройства. Это принципиально отличает квантовую инженерию от разработки обычной вычислительной электроники.
В классическом процессоре изменение характеристик отдельного материала может влиять на скорость или энергопотребление устройства. В квантовом процессоре дефект материала способен изменить время жизни квантового состояния — формы квантовой информации — и увеличить вероятность ошибки при выполнении операции. Это обстоятельство делает материаловедение одной из центральных дисциплин в квантовой инженерии.
Развитие сверхпроводниковых квантовых технологий объединяет физику конденсированного состояния, сверхпроводимость, микро- и наноэлектронику, криогенную технику и технологии изготовления материалов. Для российской научной школы это направление связано в том числе с работами нобелевского лауреата Алексея Абрикосова, который возглавлял кафедру теоретической физики МИСИС в 1976-1991 годах. Его исследования в области сверхпроводимости вошли в основу современной физики сверхпроводников — в частности, понятие вихрей Абрикосова стало фундаментальным для всей отрасли. Эта преемственность вдохновляет новые поколения исследователей и подчёркивает глубокие традиции российской квантовой науки.
Где квантовые вычисления применяются уже сегодня
Современный квантовый компьютер не работает изолированно от классических вычислительных систем. В большинстве прикладных сценариев используется гибридная схема: классический компьютер рассчитывает параметры алгоритма и обрабатывает результаты, а квантовый процессор выполняет отдельную часть вычислений. Такой подход уже даёт ощутимые практические результаты в самых разных отраслях.
В 2026 году Росатом и ГК Магнит сообщили о завершении тестирования квантовых алгоритмов для планирования поставок товаров из распределительных центров в магазины. В рамках эксперимента проверялась возможность применения квантово-классических методов для решения задачи маршрутизации и распределения потоков в складской сети. По данным участников проекта, прототип продемонстрировал потенциал повышения эффективности планирования на уровне 30-40% в условиях модельных сценариев. Результаты относятся к стадии пилотного внедрения и отражают поведение экспериментальной системы, а не промышленную эксплуатацию технологии. Тем не менее эти цифры убедительно свидетельствуют о перспективности направления.
Специалисты Университета Иннополис разработали квантовый алгоритм оптимизации маршрутов, который был протестирован на виртуальной модели дорожной сети города Алматы. По данным вуза, метод снизил загруженность транспортного потока на 25% при моделировании для 100 автомобилей и на 62% — для 500, тогда как классический гибридный подход в той же модели дал улучшение лишь на 7%. Компания Volkswagen одной из первых применила квантовый вычислитель D-Wave для перерасчёта маршрутов городских автобусов в реальном времени во время пиковой нагрузки, стремясь сократить время ожидания пассажиров и разгрузить трафик в центре города. Эти примеры наглядно демонстрируют, что квантовые технологии уже переходят из лабораторий в реальную жизнь.
Квантовые вычисления активно применяются и в фармацевтике. В российских научных центрах квантовые алгоритмы используются для моделирования электронных структур молекул и поиска энергетически выгодных, а значит устойчивых, конфигураций. Это открывает новые возможности на ранних этапах разработки лекарственных соединений и способно существенно ускорить создание новых препаратов.
Какие задачи стоят перед квантовой инженерией
Российская дорожная карта «Квантовые вычисления» до 2030 года предусматривает переход от разработки отдельных технологий к созданию вычислителей, программного обеспечения и прикладных решений. Среди целевых показателей — создание квантового вычислителя объёмом 300 кубитов, разработка 54 новых квантовых алгоритмов и проверка не менее 100 научных гипотез применения квантовых вычислений в экономике с формулированием требований к соответствующим техническим решениям. Амбициозность этих целей отражает уверенность в том, что квантовые технологии станут одним из ключевых факторов технологического развития страны.
Для достижения поставленных целей потребуется решить несколько инженерных задач одновременно. Первая — масштабирование числа кубитов без пропорционального роста ошибок. Вторая — создание систем управления, способных работать с большим количеством элементов. Третья — разработка материалов и технологий производства, обеспечивающих воспроизводимые характеристики кубитов. Каждая из этих задач требует тесного взаимодействия специалистов из разных областей науки и техники.
Отдельный вопрос связан с криогенной инфраструктурой. Сверхпроводниковые кубиты требуют работы при сверхнизких температурах, а увеличение количества элементов означает рост числа управляющих линий и усложнение всей системы. Поэтому разработчик должен учитывать ограничения не только самого чипа, но и криостата, электроники, каналов управления и классической вычислительной части. Параллельно активно развивается программный уровень: алгоритм программирования должен учитывать реальные характеристики квантового процессора — количество доступных кубитов, ошибки операций, связность элементов и ограничения системы управления. Именно поэтому разработка квантового алгоритма и разработка аппаратной части всё меньше существуют независимо друг от друга.
Кто всем этим занимается
Квантовой индустрии нужны физики, которые понимают природу квантовых состояний, инженеры по материалам и микроэлектронике, специалисты по криогенной технике, разработчики систем управления, математики и программисты. При этом специалисту недостаточно знать только одну часть системы. Например, исследователь, работающий с материалами для сверхпроводникового кубита, должен понимать, какие характеристики материала определяют параметры устройства. Разработчику системы управления необходимо учитывать физические ограничения кубитов. А специалисту по алгоритмам — знать, какие операции и архитектуры доступны на конкретном процессоре. Такая глубокая взаимосвязь между дисциплинами делает квантовую инженерию одной из самых интересных и перспективных областей для профессионального развития.
Кадровый вопрос уже включён в российскую дорожную карту по квантовым вычислениям. К 2030 году предусмотрена подготовка 8300 специалистов с базовым высшим образованием, 2600 — с магистратурой или специализированным высшим образованием и 800 — с уровнем аспирантуры в области квантовых технологий. Это масштабная программа, которая призвана обеспечить отрасль квалифицированными кадрами на годы вперёд.
В НИТУ МИСИС в рамках пилотного проекта по изменению уровней профессионального образования запущена программа СпецВО «Квантовое материаловедение». Она объединяет квантовую физику конденсированного состояния, материаловедение и квантовые технологии. В программе изучаются разработка многокубитных чипов, методы их управления, алгоритмы квантовых вычислений и квантовой связи. Исследовательская работа проводится в лабораториях «Сверхпроводниковые квантовые технологии» и «Криоэлектронные системы». Эта программа — яркий пример того, как российские университеты уже сегодня готовят специалистов, способных двигать квантовые технологии вперёд.
Квантовая инженерия сегодня развивается одновременно на нескольких уровнях — от структуры материалов и физики кубита до алгоритмов и прикладных вычислений. Специалисту в этой области необходимо понимать взаимосвязь между всеми элементами системы. Именно на стыке фундаментальной квантовой физики, материаловедения, электроники и вычислений формируются технологии, которые сегодня уверенно переходят от экспериментальных установок к первым промышленным и отраслевым задачам. Будущее квантовых вычислений выглядит исключительно обнадёживающим, и Россия занимает в нём достойное место.
Источник: naked-science.ru
