Физики выполнили операцию на одном кубите за 6,8 наносекунды

Подробно

Что именно сделали исследователи?

Команда выполнила на одном сверхпроводящем кубите типа трансмон два базовых однокубитных вентиля. Вентиль - это элементарная операция над кубитом. Вентиль X переворачивает его состояние (поворот на π), вентиль X/2 поворачивает его наполовину (на π/2). Микроволновый импульс для обоих длился 6,8 нс.

Устройство изготовили в Helmholtz Nano Facility при Forschungszentrum Jülich. Эксперимент сопровождали численным моделированием.

Статья называется «Ultrafast single-qubit gates through multi-photon transition removal». Её опубликовали 23.10.2026 в Nature Communications (том 17, номер 10874, DOI 10.1038/s41467-026-78373-4). Рукопись поступила в журнал 11.12.2025 и была принята 16.09.2026. Первая версия появилась 27.11.2025 как препринт arXiv:2511.22365. Уже в ней были длительность, fidelity выше 99,98% и название метода.

Среди авторов Yuan Gao, Felix Motzoi, Pavel A. Bushev и Rami Barends. Эксперимент спланировали Gao и Barends. Gao провёл измерения, обработал данные и спроектировал устройство. Теорию и модели подготовили José D. Da Costa Jesus и Motzoi. Работой руководили Bushev и Barends. В ней участвовали также институты PGI-13 и PGI-8 Forschungszentrum Jülich, физический факультет RWTH Aachen University и Institute for Theoretical Physics Университета Кёльна.

Работа выполнена в рамках проекта QSolid. Её также поддержали проекты QCFD и OpenSuperQPlus100 программы Horizon Europe.

Какую точность показали вентили?

Точность здесь означает измеренную fidelity (степень совпадения реальной операции с идеальной). У вентиля X полная ошибка составила (1,9 ± 0,1) × 10^-4, то есть fidelity 99,981 ± 0,001%. У вентиля X/2 ошибка была (1,1 ± 0,1) × 10^-4, а fidelity - 99,989 ± 0,001%.

Отдельно измеряли утечку. Так называют уход кубита из двух рабочих состояний в более высокие энергетические уровни, откуда он портит вычисление. Суммарная утечка оставалась ниже 2,0 × 10^-5 (0,002%) на вентиль.

Нормированная сила возбуждения Ω/Δ для 6,8-нс вентиля X достигла 0,33. Авторы называют это рекордным значением для однокубитных вентилей на сверхпроводящих кубитах.

Ошибки измеряли несколькими способами: стандартным и чередующимся randomized benchmarking, leakage randomized benchmarking и purity randomized benchmarking. Для малой утечки авторы разработали последовательность ALE (amplified leakage error), чувствительную примерно до 10^-6.

При 6,8 нс основным ограничением обеих операций была декогеренция, то есть потеря кубитом квантовых свойств, на уровне около 1,04 × 10^-4. У вентиля X при сокращении импульса росли и ошибки управления, которые авторы связывают с искажениями микроволнового сигнала. Нижний предел измеренной утечки они объясняют шумами напряжения в управляющей электронике при комнатной температуре.

Как метод R2D ускоряет операции на кубите?

Сверхпроводящий трансмон имеет не два уровня энергии, а больше, и они расположены близко друг к другу. При коротком и сильном импульсе кубит легко «выталкивается» на лишние уровни, в том числе через многофотонные переходы, когда возбуждение идёт сразу несколькими фотонами.

Метод R2D - двойное рекурсивное применение схемы DRAG (Derivative Removal by Adiabatic Gate). В форме импульса он создаёт провалы на частотах нежелательных одно- и многофотонных переходов, включая прямые переходы между уровнями |0⟩ и |2⟩ и между |1⟩ и |3⟩. Исходную схему DRAG в 2009 году опубликовали Felix Motzoi, Jay Gambetta, Patrick Rebentrost и Frank Wilhelm. По сравнению со стандартной коррекцией DRAG R2D уменьшал утечку более чем в 20 раз.

Предел скорости в эксперименте обозначился около 6,6 нс. При таком импульсе оптимизация становилась нестабильной, а утечка в состояние |3⟩ начинала преобладать. Проверяли длительности от 6,6 до 9 нс. Верхнюю границу задавал объём памяти управляющей электроники.

Можно ли говорить о рекорде и что пока не доказано?

Формулировка пресс-службы Forschungszentrum Jülich о «рекорде скорости для квантовых вентилей» шире, чем результат статьи. Сама работа обосновывает новый ориентир для быстрых однокубитных вентилей на сверхпроводящем трансмоне и рекордное значение Ω/Δ = 0,33. Абсолютного рекорда среди всех вентилей и всех физических платформ статья не доказывает.

Главное ограничение: опыт проведён на одном изолированном кубите. Влияние соседних кубитов, частотной тесноты и перекрёстных помех не проверено. Нет подтверждения для большого процессора и для двухкубитных вентилей. Авторы предлагают проверить R2D именно в таких условиях.

Авторы заявляют, что R2D - первое экспериментальное решение для устранения многофотонных переходов и что его можно адаптировать к другим типам кубитов и другим областям квантовой физики. Они считают, что при более долгой когерентности кубита и точной характеристике искажений управляющего сигнала метод открывает путь к fidelity 99,999%. Это прогноз, а не достигнутый результат. Близкая теоретическая работа части той же группы в PRX Quantum (27.08.2026) описывает аналитическую схему для X-вентилей с такой целевой точностью.

Независимых комментариев учёных и независимой экспериментальной проверки результата к 28.10.2026 найти не удалось. Материал Phys.org от 27.10.2026 пересказывает сообщение Forschungszentrum Jülich и независимой оценкой не является. Исходные данные не выложены в открытый доступ: их предлагается запрашивать у авторов для корреспонденции Yuan Gao или Rami Barends.