Коротко и по существу.
1) Как суперпозиция и запутанность объясняют работу кубита
- Суперпозиция: кубит — двухуровневая квантовая система с состоянием
$|\psi ⟩=\alpha |0⟩+\beta |1⟩$,
где $|\alpha {|}^2+|\beta {|}^2=1$. Это означает, что до измерения система одновременно находится в обоих базисных состояниях; управление амплитудами $\alpha ,\beta$ — эквивалент логических операций. Эквивалентное геометрическое представление — сфера Блоха:
$|\psi ⟩=\cos \frac{\theta }{2}|0⟩+e^{i\varphi }\sin \frac{\theta }{2}|1⟩$.
- Запутанность: многокубитовые состояния могут иметь корреляции, не сводимые к независимым состояниям. Пример двухкубитной запутанности (белл-состояние):
$|{\Phi }^{+}⟩=\frac{1}{\sqrt{2}}(|00⟩+|11⟩)$.
Запутанные кубиты позволяют выполнять параллельную интерференцию амплитуд и реализовывать квантовые алгоритмы (телепортация, суперпозиционные операции с экспоненциальной размерностью пространства состояний), давая выигрыш по ресурсам или скорости для ряда задач.
2) Физические реализации кубитов (кратко, с сильными/слабыми сторонами)
- Сверхпроводящие кубиты (transmon, Xmon): быстрые гейты (наносек — микросек), удобны для масштабирования на чипах; минусы — требуются милликелвины, ограничены времена когерентности $\sim$ до $\mu$s–ms.
- Ионы в ловушках: длинные времена когерентности, высокие точности гейтов; минус — медленнее гейты, сложность масштабирования множества ионов.
- Спин-квbиты в квантовых точках (электронные/ядерные спины): компактность, совместимость с CMOS-процессами; минусы — чувствительность к шуму и сложности управления.
- NV-центры в алмазе / дефекты в твердом теле: оптический контроль, долгие времена жизни спинов при комнатной температуре; минусы — разнообразие паттернов дефектов, интерфейсизация.
- Фотонные кубиты: работают при комнатной температуре, лёгкая передача на большие расстояния; минусы — отсутствие естественных двухкубитных взаимодействий, потребность в ненадёжных источниках/детекторах или больших ресурсах.
- Нейтральные атомы в оптических решётках/пинцетах: хорошая масштабируемость в двумерных массивах, оптические сопряжения; минусы — сложность контролируемых двухкубитных гейтов.
- Топологические кубиты (Majorana и т.п.): обещают повышенную стойкость к ошибкам, но пока экспериментально не подтверждены в полном объёме.
3) Основные препятствия для масштабируемости
- Декогеренция и шум: короткое время когерентности ограничивает число последовательных гейтов. Требуется улучшение ${\mathrm{T}}_1,{\mathrm{T}}_2$ и уменьшение шума.
- Погрешности гейтов и измерений: нужны высокие точности (погрешности < порога квантовой коррекции ошибок). Без этого ошибки быстро накапливаются.
- Накладные расходы квантовой коррекции ошибок: для практичных логических кубитов нужно много физических кубитов; оценки дают порядка $\sim 10^3$–$\sim 10^5$ физических кубитов на один логический в реальных схемах (в зависимости от ошибки и кода).
- Связность и архитектура: требуется эффективная коммутация между кубитами (локально или через фотонные/модульные интерфейсы). Плохая связность увеличивает глубину схем и ошибки.
- Кросстолк и масштабируемость управления: миллионы проводов, управляющей электроники и калибровок сложно разместить, особенно при криогенных температурах.
- Материальные и технологические ограничения: дефекты в материалах, вариации параметров устройств, трудности воспроизводимости.
- Классификация/пытки верификации: чем больше система, тем сложнее проверять её корректность и диагностировать ошибки.
Коротко о путях решения: улучшение материалов и дизайна, повышение качества гейтов, разработка эффективных кодов коррекции ошибок (низко-накладных), модульные/гибридные архитектуры с фотонными связями и интеграция управления (включая криогенную электронику).