Иногда серьёзные научные исследования начинаются с совершенно неожиданных событий. В 2021 году два физика поспорили на черничное мороженое, обсуждая необычное поведение квантовых систем. Тогда никто из них не предполагал, что спустя пять лет эта история приведёт к эксперименту на мощном квантовом процессоре IBM.

В октябре 2026 года исследователи Университета Рутгерса и IBM опубликовали результаты работы, которая может оказаться важной для создания более надёжных квантовых компьютеров. Учёным удалось продемонстрировать, как управлять квантовым хаосом, многократно проверяя и изменяя состояние работающего процессора.

Причём эксперимент провели на системе из ста кубитов — достаточно большой, чтобы исследовать поведение, которое трудно воспроизвести на обычном компьютере.

Почему квантовые компьютеры постоянно ошибаются

Обычный компьютер хранит информацию в битах, каждый из которых принимает значение 0 или 1. Квантовые процессоры используют кубиты, способные находиться в суперпозиции состояний.

Благодаря этому они могут обрабатывать информацию принципиально иным способом. Для некоторых специальных задач такой подход обещает существенное преимущество перед классическими вычислениями.

Но у квантовых компьютеров есть серьёзная проблема — чрезвычайная чувствительность к внешним воздействиям.

Даже небольшие изменения температуры, электромагнитные помехи и неточности управляющих сигналов могут нарушить состояние кубитов. Ошибки постепенно накапливаются, и полученный результат становится ненадёжным.

Особенно сложна ситуация при длительных вычислениях, когда процессор должен последовательно выполнять тысячи операций.

Поэтому одна из главных задач современной квантовой инженерии — создание систем, способных выявлять и исправлять ошибки во время работы.

Такой компьютер называют отказоустойчивым. В идеале он должен продолжать правильно выполнять вычисления, несмотря на отдельные сбои физических кубитов.

Но создать полноценную универсальную квантовую машину с подобными возможностями пока не удалось.

Что необычного сделали исследователи IBM

Для эксперимента использовали сверхпроводящий процессор IBM Quantum Heron, содержащий 156 кубитов. Из них учёные задействовали связанную последовательность длиной до ста кубитов.

Затем исследователи заставили систему выполнять две противоположные задачи.

Первая намеренно перемешивала квантовую информацию, создавая всё более сложное и хаотичное состояние. Условно это можно сравнить с многократным перемешиванием колоды карт.

Вторая задача действовала противоположным образом. Процессор проверял состояние отдельных кубитов и при необходимости возвращал их в заранее заданное состояние.

Главная сложность заключалась в том, что эти проверки нужно было проводить непосредственно во время работы системы.

За время эксперимента процессор выполнил почти 5000 операций, связывающих кубиты, и примерно столько же проверок и сбросов их состояний.

Это позволило учёным изучить, что происходит, когда квантовый хаос и управляющие воздействия конкурируют друг с другом.

Что произошло, когда проверок стало больше

Результат оказался особенно интересным.

Когда операции перемешивания информации заметно преобладали, система оставалась хаотичной. Но стоило увеличить частоту проверок и сбросов, как её поведение начинало меняться.

В условиях проведённого эксперимента критическая область находилась приблизительно возле равного соотношения двух типов операций.

При переходе через определённый порог множество кубитов коллективно меняло своё поведение: вместо хаотичного состояния система переходила к более упорядоченному и управляемому.

Физики называют подобное явление фазовым переходом.

В обычной жизни мы наблюдаем фазовый переход, когда вода при охлаждении превращается в лёд. Температура меняется постепенно, но свойства вещества при определённых условиях изменяются резко.

В квантовом эксперименте происходило не замерзание, а изменение режима работы сложной системы.

Особенно важно, что исследователи получили результаты, соответствующие теоретическим расчётам. Причём по мере увеличения количества кубитов характер перехода становился заметнее.

При чём здесь черничное мороженое

История исследования началась в 2021 году на дне рождения супруги физика Джедедии Пиксли, профессора Университета Рутгерса.

Во время разговора его коллега Срирам Ганешан предположил, что один из необычных квантовых эффектов имеет аналог в классической физике.

Пиксли с этим не согласился. Учёные заключили дружеское пари, в котором ставкой стало черничное мороженое.

Впоследствии выяснилось, что прав оказался Ганешан. Пиксли признал поражение и угостил коллегу двумя шариками черничного мороженого во время их пребывания в Аспенском центре физики.

Но спор оказался полезнее обычной победы в дискуссии.

Именно обсуждение связи классического хаоса с квантовыми процессами помогло исследователям разработать теоретическую модель. Позже сотрудничество со специалистами IBM позволило проверить её на настоящем квантовом оборудовании.

Значит ли это, что проблему квантовых ошибок решили?

Пока нет. Здесь важно различать управление квантовым хаосом и полноценное исправление ошибок при выполнении полезных вычислений.

В эксперименте учёные научились многократно измерять и сбрасывать состояния отдельных кубитов, направляя систему к определённому режиму работы. Но они не продемонстрировали универсальный отказоустойчивый компьютер, который может бесконечно выполнять сложные вычисления без накопления ошибок.

Тем не менее исследование имеет большое значение.

Оно показало, что современное квантовое оборудование уже способно координировать тысячи измерений, управляющих воздействий и операций над кубитами в рамках одного эксперимента.

Это именно те технические возможности, которые необходимы для дальнейшего развития систем квантовой коррекции ошибок.

Кроме того, исследователи получили экспериментальное подтверждение ранее предсказанного фазового перехода между хаотичным и управляемым состояниями.

Почему это важно для будущих компьютеров

Если инженерам удастся создавать достаточно надёжные квантовые вычислительные системы, их можно будет использовать для задач, плохо поддающихся традиционным методам расчёта.

Одно из перспективных направлений — моделирование молекул и новых материалов. Подобные задачи требуют учитывать сложные взаимодействия между большим количеством квантовых частиц.

Однако для этого нужны не просто процессоры с сотнями или тысячами физических кубитов, а устройства, способные достаточно долго сохранять правильное состояние информации.

Эксперимент IBM и Университета Рутгерса ещё не решил эту проблему, но показал один из способов управления сложными квантовыми процессами непосредственно во время вычислений.

И началось всё с обычного научного спора, в котором проигравший должен был купить мороженое. Пожалуй, это один из редких случаев, когда два шарика черничного десерта оказались связаны с исследованием, способным повлиять на будущее вычислительной техники.