О квантовых системах на основе сверхпроводников и технологической карте развития в этой области Японии

Согласно отчёту «Digital, Quantum Technology Monitor» консалтинговой компании McKinsey (апрель 2026г.) к 2035 году рынок квантовых вычислений может достичь объемов в 43-71 млрд долларов США. Международные эксперты видят их перспективы для различных отраслей – от финансов и медицины до нефтегазовой промышленности и логистики. Применение квантовых технологий (КТ) способно ускорить сложные вычисления и повысить эффективность многих бизнес-процессов.

Одним из перспективных направлений развития квантовых компьютеров (КК) является разработка соответствующих вычислительных систем на базе сверхпроводников*, которые строятся на основе интеграции искусственных атомов, созданных с помощью сверхпроводящих электрических цепей. Они обладают хорошей управляемостью, интегрируемостью и масштабируемостью.

*Справочно

Основным элементом КК являются квантовые биты, или кубиты, которые могут быть построены физически на разных платформах, в том числе на основе сверхпроводников. Наиболее распространенным типом сверхпроводящего кубита является трансмонный кубит.

Структура: Простая структура из двух сверхпроводников, разделенных джозефсоновским переходом. Эквивалентная схема – LC-резонатор.

Принцип работы: При охлаждении до сверхпроводящего состояния в разбавочном криостате (≈10мК) энергия схемы квантуется, образуя дискретные уровни. Два нижних уровня (|0> и |1>) используются как вычислительные состояния.

Рабочая частота: Переходная энергия соответствует резонансной частоте LC-контура. На 2025 год большинство систем используют частоты в диапазоне 4–9 ГГц, что обеспечивает баланс между подавлением теплового шума, достаточной полосой пропускания и временем жизни кубита.

Некоторые преимущества сверхпроводников:

• возможность создавать кубиты с заданными свойствами и произвольно выбирать частоты и длины волн, с которыми разработчик хочет иметь дело;
• в сверхпроводниковом процессоре кубиты легко могут взаимодействовать между собой;
• чипы на их основе хорошо справляются как с длинными, так и с короткими цепочками вычислений.

Создание КК на основе сверхпроводников сопряжено с рядом серьёзных технических и физических проблем, которые пока ограничивают их развитие. К наиболее важным проблемам относятся:

1. Сверхпроводящие кубиты очень чувствительны к внешним воздействиям.

Основные источники декогеренции:

• Тепловой шум. Даже при низких температурах тепловые флуктуации могут вызывать переходы между энергетическими уровнями кубита.
• Электромагнитная интерференция. Внешние электромагнитные поля могут взаимодействовать с кубитами, вызывая нежелательные возмущения.
• Дефекты материала. Несовершенство материалов, используемых для создания кубитов, может привести к появлению локализованных состояний, которые взаимодействуют с кубитами и вызывают потерю когерентности. Например, двухуровневые системы (TLS) в диэлектрических материалах могут резонировать с уровнями энергии кубита.
• Шум заряда и потока. Колебания заряда и магнитного потока в окружающей среде могут вызывать случайные изменения рабочих параметров кубита.
• Ионизирующее излучение. Под его воздействием в сверхпроводнике рождаются пары электрон-дырка, которые провоцируют каскадные процессы с вторичной ионизацией и рождением фотонов. Это приводит к появлению квазичастиц, уносящих энергию из системы и разрушающих квантовое состояние.

Решение проблемы требует комплексного подхода: использования методов квантовой коррекции ошибок, динамической развязки, улучшенной конструкции кубитов, экологической инженерии и гибридных квантовых систем.

2. Необходимость экстремально низких температур

Для работы сверхпроводящих кубитов требуется охлаждение до температур, близких к абсолютному нулю (несколько десятков миликельвин). Это необходимо, чтобы максимально изолировать квантовую систему от внешнего мира и защитить её от тепловых колебаний. Проблема заключается в том, что системы охлаждения занимают значительную часть пространства квантового процессора и требуют значительных затрат. Кроме того, по мере роста числа кубитов и управляющих линий прокладывать надёжные соединения при сверхнизких температурах становится всё сложнее.

3. Сложности масштабирования

Чем больше кубитов в системе, тем сложнее ею управлять. Каждый новый кубит не просто добавляет сложность – она умножается. Возникают проблемы взаимных влияний между элементами (cross-talks) в больших сверхпроводниковых схемах. Для масштабирования рассматривают методы 3D-интеграции кубитов и создание распределённых квантовых сопроцессоров с обеспечением связи между чипами (chip-to-chip). Однако при этом важно, чтобы соединения между чипами оставались сверхпроводящими, передавали сигналы без потерь и не вносили шум, который разрушает квантовые состояния.

4. Проблемы управления и точности операций

Справочно

Управление кубитами в КК на основе сверхпроводников:

• Одно-кубитные вентили

Реализуются подачей микроволнового импульса на резонансной частоте перехода. Длительность импульса – от нескольких до сотен наносекунд. Форма импульса – гауссова с фазовой модуляцией. Требуются высокоточные аналоговые сигналы; используется генератор сигналов произвольной формы (Arbitrary Waveform Generator, AWG). Полоса пропускания – десятки-сотни МГц.

• Двух-кубитные вентили

Существуют два основных подхода:

• Управление через DC-импульсы: Быстрый токовый импульс изменяет энергию перехода кубита или связующего элемента. Требует точного контроля фронтов импульса.

Суть процесса: Быстрый импульс тока изменяет энергию квантового перехода, переводя кубит в нужное состояние или настраивая связь между кубитами. Точность фронтов (нарастания и спада) импульса критически важна: она обеспечивает корректность операции, минимизирует ошибки и сохраняет квантовую когерентность.

• Параметрически индуцированные вентили (микроволновые): Используют возбуждение параметров системы микроволновым сигналом. Разность частот между одно- и двух-кубитными операциями (расстройка) определяет требуемую мгновенную полосу пропускания. Динамический диапазон управляющей электроники критичен, так как амплитуды сигналов могут отличаться на 30–40 дБ.

Процесс выглядит так:

• Микроволновой сигнал с определённой частотой и амплитудой подаётся на антенну или линию связи рядом с кубитом.
• Частота сигнала подбирается так, чтобы совпасть или быть близкой к частоте перехода между состояниями кубита ∣0⟩ и ∣1⟩.
• Взаимодействие микроволнового поля с кубитом вызывает контролируемые переходы между состояниями – то есть выполняет квантовую операцию (вентиль).
• Для двухкубитных операций сигнал может модулировать связь между кубитами, позволяя им обмениваться квантовой информацией.

Требуется точное управление состоянием кубитов с помощью электромагнитных сигналов. Для управления многокубитными системами необходимо большое количество микроволновых каналов, что требует дорогостоящего оборудования (источники когерентного микроволнового излучения, высокостабильные генераторы сигналов, усилители и др.).

Наиболее распространенным методом считывания кубитов является дисперсионное считывание. Используется резонатор, связанный с кубитом и расстроенный относительно его частоты перехода (обычно на 1–2 ГГц). При подаче СВЧ-сигнала на резонатор его фазовая характеристика зависит от состояния кубита (|0> или |1>). Мощность сигнала считывания – около -120…-130дБм, длительность – 100-500нс*.

*Справочно

Мощность: -120…-130 дБм (децибел‑милливатт). Это очень слабый сигнал:

− -120 дБм = 10−15Вт;

− -130 дБм = 10−16Вт.

Такая низкая мощность нужна, чтобы не возбудить кубит и не изменить его состояние в процессе измерения.

Длительность: 100–500 нс. Это компромисс между скоростью считывания; точностью измерения; сохранением квантовой когерентности.

Япония является одним из ведущих поставщиком квантовых компьютеров на основе сверхпроводников, управляющих устройств и материалов, как в стране, так и за рубежом. Так, японскими исследовательскими организациями AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology – Национальный институт передовой промышленной науки и технологий), RIKEN (Институт физико-химических исследований) и компаниями (Fujitsu, NEC) в 2025 году был проведен анализ компонентов, используемых в сверхпроводниковых квантовых компьютерах, который показал доминирование японских и американских производителей (табл. 1).

Многие компоненты были разработаны в неквантовых отраслях (например, телекоммуникациях) и адаптированы для квантовых систем.

Следует также отметить, что в 2025 году в Центре квантовой информации и квантовой биологии Университета Осаки (QIQB) был запущен сверхпроводниковый квантовый компьютер. Все ключевые аппаратные элементы этой квантовой установки произведены в Японии. Разработка объединила инженерные направления от криогеники и микрообработки до систем электронного управления и алгоритмов коррекции ошибок, собранных в единой архитектуре квантового компьютера.

Наряду с аппаратной частью создана мощная программная среда – Open Quantum Toolchain for Operators and Users (OQTOPUS). Этот пакет инструментов с открытым исходным кодом включает пользовательский интерфейс и системы управления, упрощая программирование, запуск и мониторинг квантовой установки.

Для практического применения и масштабирования квантовых компьютеров критически важно не только совершенствование периферийных устройств, компонентов и материалов, но и создание устойчивых цепочек поставок (supply-chain sustainability). Однако технические требования к системам квантовых компьютеров ранее были нечеткими, что создавало высокий барьер для входа на рынок компаний из смежных секторов.

Для преодоления этого барьера была разработана «Технологическая карта цепочки поставок крупномасштабных квантовых компьютерных систем – Сверхпроводящие системы», которая определяет технические характеристики будущих систем квантовых компьютеров на 1000+ кубитов на основе сверхпроводников, а также пути развития технологий для всей системы, устройств, компонентов и материалов. Документ был представлен в сентябре 2025 года совместно японскими исследовательскими организациями AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology – Национальный институт передовой промышленной науки и технологий), RIKEN (Институт физико-химических исследований), а также компаниями Fujitsu и NEC.

Основные задачи технологической карты:

• Количественная оценка целей разработки компонентов и материалов для масштабирования квантовых компьютеров.
• Предоставление дорожной карты широкой промышленности для ускорения входа новых игроков, включая стартапы и компании из неквантовых секторов.
• Формирование устойчивой цепочки поставок через сотрудничество с вендорами, поставщиками и исследовательскими институтами.
• Стимулирование кооперации между японскими и зарубежными компаниями, а также участие малых и средних предприятий в разработке компонентов.

В процессе работы были проанализированы текущие технологии, определены ключевые компоненты, необходимые для коммерциализации систем на 1000+ кубитов, и собрана информация по их разработке.

Ключевые компоненты и технологии масштабирования

1. Усилители

1.1 Сверхпроводниковые параметрические усилители (JPA и JTWPA)

• Роль: Первый каскад усиления на 10 мК-ступени криостата, обеспечивающий усиление с шумом, близким к квантовому пределу.
• Типы:
• JPA (Josephson Parametric Amplifier): Простая конструкция, но узкая полоса (десятки-сотни МГц), что ограничивает мультиплексирование.
• JTWPA (Josephson Traveling Wave Parametric Amplifier): Широкая полоса (несколько ГГц), но сложность изготовления (≥1000 переходов на элемент). Высокая стоимость.
• Поставщики и характеристики: QuantWare (Нидерланды, усилитель Cresendo-S), SCALINQ (Швеция, усилитель QET Vidar), Silent Waves (усилители The Arigo, The Carthago), модули считывания компаний VASTA (Сингапур), Bluefors (Финляндия). Используется в основном трёхволновое смешение (Three-Wave Mixing, 3WM) для уменьшения интерференции с частотами кубитов. Для 1000 кубитов (при мультиплексировании 1:4) потребуется 250 усилителей и линий накачки, что создает проблемы с пространством и тепловыделением на 10 мК ступени.

1.2 Низкотемпературные малошумящие HEMT-усилители

• Роль: Второй каскад усиления на 4 K-ступени.
• Доминирующий поставщик: Low Noise Factory (Швеция).
• Основные модели: LNF-LNC4_8G (4-8 ГГц, шумовая температура 1.5 K, P=7.8 мВт) и LNF-LNC4_16C (4-16 ГГц, 3.1 K, P=17.6 мВт). Выпускаются в монолитном исполнении (Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC) для улучшения стабильности и выхода годных.
• Тенденции: Миниатюризация (использование разъемов G3PO вместо SMA), снижение потребляемой мощности (исследования по суб-милливаттным гибридным усилителям американской компании AmpliTech). Для 1000 кубитов (мультиплексирование 1:4) требуется 250 HEMT-усилителей. Суммарное потребление (~2–4.4Вт) может превысить охлаждающую способность 4 K-ступени (~100 мВт–1Вт), требуя модернизации криостатов.

2. Кабели

• Текущее состояние: Широко используются коаксиальные кабели с низкими потерями, но они негибкие, что ограничивает плотность монтажа.
• Перспективная альтернатива: Плоские кабели (flex- cables).
• Преимущества – миниатюризация, гибкость, низкая стоимость.
• Технические вызовы: Разработка низкопотерных материалов (фторопласт, полиимид), улучшение высокочастотных характеристик (стабильность импеданса), обеспечение надежности при криогенных температурах (тепловое сжатие), разработка многослойных конструкций и специализированных коннекторов. Ключевая проблема – подавление перекрестных помех, особенно в области коннекторов.

3. Коннекторы

• Основные стандарты: SubMiniature version A, SMA (DC-18 ГГц) – наиболее распространен для криогенных СВЧ-линий. SubMiniature Push‑on, SMP и SubMiniature Push‑on Micro, SMPM – для компактных соединений вблизи образца.
• Ключевые требования: Для чувствительных к магнитному полю кубитов (например, с магнитным потоком) необходимы немагнитные коннекторы.
• Поставщики: Rosenberger (Германия) – популярны для немагнитных SMP. Japan Aviation Electronics Industry (JAE) – фактически единственный поставщик немагнитных SMPM. Для DC-линий часто используются коннекторы Fischer (Швейцария) и Micro-D-sub (американской компании Cinch Connectivity Solutions, и TE Connectivity).

4. СВЧ-компоненты

• Аттенюаторы: Для ослабления теплового шума. Используются криогенные аттенюаторы американских компаний XMA Corp., API Technologies.
• Циркуляторы и изоляторы: Необходимы для направленного пропускания сигналов и подавления обратного шума. Поставщики: QuinStar Technology (США), Low Noise Factory (Швеция), Nitsuki (Япония).
• Направленные ответвители: Используются для комбинирования сигналов (например, совместно с JTWPA). Поставщики: американские компании API Technologies, Mini-Circuits, Marki Microwave.
• Смесители (Bias-T): Для объединения высокочастотных и DC-сигналов. Популярны продукты американской компании Marki Microwave (компактные).
• RF-фильтры: Для подавления гармоник и шума. Поставщики: американские компании RLC Electronics, Mini-Circuits, K&L Microwave. В Японии – Sogo Denshi.
• Инфракрасные фильтры: Для подавления квазичастичного возбуждения. Ранее изготавливались самостоятельно исследователями, теперь доступны в продуктах американской компании XMA Amphenol и японской фирмы Kawashima Seisakusho.

5. Разбавочные криостаты

• Принцип: Требуют температуры 10–100 мК. В современных системах используются импульсные трубные (pulse-tube) криостаты без жидкого гелия, что упрощает эксплуатацию и позволяет увеличить рабочий объем для размещения большого количества кабелей.
• Тенденции: Поставщики (Bluefors – Финляндия, Oxford Instruments – Великобритания, Leiden Cryogenics – Нидерланды, Maybell Quantum – США, Zero Point Cryogenics – Канада, Ulvac Cryo – Япония) активно разрабатывают модели специально для квантовых вычислений, наращивая охлаждающую мощность на промежуточных ступенях для питания HEMT-усилителей и других компонентов.

6. Системы управления

6.1. Требования к масштабированию

Для 1000+ кубитов управляющая электроника (стойки 19") может занять 10 и более стоек, что создает проблемы с размещением и потерями сигнала. Ключевые требования: высокая интеграция, синхронизация (системная и высокочастотная).

6.2. Архитектура и компоненты

• Современный подход: Полная цифровизация на основе прямого цифрового синтеза (Direct Digital Synthesis, DDS) с использованием RF DAC* (≥10 Гвыб/с). Это позволяет подавлять паразитные гармоники и побочные излучения. Применяются либо специализированные ASIC*, либо коммерческие микросхемы от американской компании Analog Devices.

*Справочно

RF DAC (Radio Frequency Digital-to-Analog Converter) – высокочастотный цифро‑аналоговый преобразователь, способный напрямую синтезировать сигналы в радиочастотном диапазоне без традиционных аналоговых умножителей и смесителей.

Ключевая характеристика: ≥10 Гвыб/с (≥10 GS/s – 10 миллиардов выборок в секунду). Это позволяет:

• работать с сигналами в СВЧ‑диапазоне (до десятков ГГц);

• формировать сложные широкополосные сигналы;

• точно воспроизводить форму сигнала за счёт высокой частоты дискретизации.

ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) – это специализированная интегральная схема, разработанная для решения конкретной задачи или выполнения строго определённого набора функций.

• Структура: Модули → Шасси → Стойки. Для синхронизации модулей внутри шасси и между шасси используются цифровые интерфейсы.
• Сравнительные характеристики (табл. 2):

Таблица 2

Required – требования; Вариант A уже готов к использованию (серийный продукт), но не дотягивает по мощности (8 дБм вместо ≥10 дБм). Вариант B – самый «чистый» по шуму и фазе, предлагает широкую полосу, но это только прототип. Вариант C – компромиссный прототип с умеренной полосой. Вариант D – на стадии предложения (концепции), но полностью соответствует требованиям по мощности и фазе.

• Выходная мощность: ≥10 дБм (10 милливатт (мВт), требование связано с потерями в кабелях длиной >4 м).
• Пропускная способность по базе (определяет скорость оцифровки сигнала): не менее 1 Гвыб/с (не ниже 1 миллиарда выборок в секунду).
• Диапазон рабочих частот: до 16 ГГц (в требованиях указан узкий диапазон 4–8 ГГц, но решения предлагают более широкие полосы, например, DC–16 GHz – от постоянного тока до 16 ГГц).
• Уровень шума: около -153…-157 дБм/Гц.
• Фазовый шум: ≤ -120 дБс/Гц (при отстройке 10 кГц).
• Разрядность ЦАП: ≥14 бит.
• Количество стоек (юнитов) для размещения системы: от 3(минимум) до 10.

6.3. Ключевые функции

• Активный сброс (Active Reset): Использует обратную связь от результатов измерения для быстрой инициализации кубита. Время задержки от измерения до отправки управляющего импульса составляет 150–800 нс.
• Интеграция с HPC: Для реализации отказоустойчивых вычислений необходима низколатентная обратная связь между управляющей электроникой и высокопроизводительными компьютерами (HPC) для декодирования синдромов ошибок. Требуются специализированные интерфейсы с низкой задержкой (не Ethernet/InfiniBand). Декодеры могут быть реализованы на FPGA (для низкой латентности) или GPU (для высокой пропускной способности), но оптимальным считается ASIC-решение в долгосрочной перспективе.

Основные направления дальнейших исследований и разработок, на которых планируют сосредоточиться японские разработчики:

• Улучшение стабильности кубитов – исследования высокочистых материалов, особенно поверхностей (граничные слои и интерфейсы между различными материалами внутри квантового чипа или элемента).
• Считывание – активные исследования ошибок, вызванных измерением, для повышения качества дисперсионного считывания.
• Интеграция – анализ перекрестных помех и термализации в высокоплотных кабельных сборках (изучение того, как тепло, выделяемое одними кабелями, передается соседним).
• Криогенная электроника – активная разработка архитектуры сверхпроводниковой цифровой логики (Single Flux Quantum, SFQ), улучшенной версии SFQ-логики, направленной на снижение энергопотерь (Energy-Efficient Single Flux Quantum, ESFQ), совершенствование стандартной технологии производства полупроводниковых микросхем (CMOS) и токовых схем для управления, способных изменить парадигму управления.
• ПО и промежуточное ПО – развитие цифровых двойников для автоматической калибровки, переход от проверки физических кубитов к проверке логических (Quantum Characterization, Verification, and Validation, QCVV – комплекс методов и протоколов для описания, проверки и подтверждения работоспособности квантовых вычислительных систем).

*Справочно

Суть перехода: Раньше ПО и тесты проверяли, как ведут себя отдельные физические кубиты (их стабильность, время жизни, частоту ошибок). Теперь задача – создать инструменты (цифровые двойники, автоматические калибровочные системы), которые могут:

• моделировать и предсказывать поведение больших групп кубитов;

• верифицировать, что логические кубиты действительно исправляют ошибки;

• валидировать, что квантовый алгоритм на этих логических кубитах даёт верный ответ.

Следует также отметить, что планируется расширить и разработать дорожную карту на другие основные технологические подходы (фотонные, нейтральные атомы, ионные ловушки). А также содействовать созданию взаимовыгодной экосистемы для использования квантовых компьютеров между Японией, США и Европой.

Таким образом, разработанная японскими исследовательскими организациями технологическая карта служит практическим руководством для индустрии квантовых вычислений, объединяя технические требования, анализ рынка и стратегические рекомендации. Она отражает стремление Японии занять лидирующие позиции в квантовых технологиях, используя свои сильные стороны в микроэлектронике и материаловедении. Документ также подчеркивает глобальную тенденцию к модульности, интеграции классических и квантовых систем, а также необходимость междисциплинарного сотрудничества для достижения масштабируемых и отказоустойчивых квантовых вычислений.