💻
На фото - одна из возможных архитектур сверхпроводникового квантового процессора. Такие чипы делала группа из университета Цюриха (а не Дельфт, спасибо подписчикам за уточнение) лет 7-8 назад, если не изменяет память.

Вся микросхема выполнена на чипе из высокоомного кремния (темные области) и сверхпроводника (светло-серые\раскрашенные области).

Дабы вы могли слегка почувствовать, что здесь имеется и зачем, постараемся кратко пояснить тип и назначение элементов.

🟥 - красными крестиками обозначены собственно кубиты. Здесь используется один из вариантов кубитов, называемый трансмон. Трансмон состоит из емкостного электрода (он как раз раскрашен цветом) и ооооочень маленького джозефсоновского контакта, который на этом увеличении никак не увидеть, но он есть. Как видим, на схеме насчитывается 8 кубитов;

🟦 (голубой, на самом деле) - тонкими проводочками раскрашены считывающие копланарные резонаторы, каждый из которых связан со своим кубитом;

🟩 - тоже резонаторы, необходимые для дополнительной фильтрации и угнетения распада кубитов в считывающую линию;

🟨 - считывающие копланарные линии (не резонаторы, но связаны с ними через фильтры);

🟧 - связующие элементы типа резонаторов, каждый из которых обеспечивает взаимодействие двух соседних кубитов;

🟪 - линии управления по напряжению (иногда называемые XY);

🟦 (темно синий, на этот раз 🫠) - линии потокового контроля (иногда называемые Z линиями);

Всё светло-серое, включая "темненькую сеточку" между элементами - это "земля", то есть, нулевой потенциал по отношению к разным сигналам, посылаемым на схему. Светлые прожилки на "сеточке" - это перфорированный электрод земли. Это нужно для подавления крипа и пиннинга сверхпроводниковых вихрей Абрикосова при управлении кубитами, либо при подаче внешнего магнитного поля.

👋

Минутка классической электродинамики

🌪

На гифке - залипательный эксперимент по торможению маятника из плоской металлической пластины при попадании в поле постоянного магнита.

Какое же физическое явление приводит к почти мгновенному затуханию колебаний?

🤔🤔🤔

Предлагайте варианты в комментариях!

Вихревые токи (токи Фуко; eddy currents, англ.) - токи, возникающие в металле как отклик на изменение магнитного поля в нем.

Токи Фуко имеют индукционную природу, поэтому аналогично току в соленоиде, создают собственное поле, препятствующий изменению магнитного потока, которое их вызвало.

В случае с пластиной-маятником, влетающей в зазор постоянного магнита, собственное поле магнита начинает взаимодействовать с полями от возникающих вихревых токов. Направление воздействия можно определить при помощи правила левой руки - оставим это в качестве небольшого упражнения заинтересованным читателям. Как итог - очень быстрое демпфирование колебаний, которое мы и наблюдали на гифке в прошлом посте.

Всем успехов и отличных выходных!

👋

А теперь вспоминаем Незнайку на Луне, кхм-гм, о чем это мы...

Ах да - рассказываем про добычу гелия-3, как ранее и обещали.

Сразу по сути вопроса - никакой "добычи" и в помине нет ))) в привычном смысле этого слова.

Запасы в земной коре совершенно ничтожны, поэтому единственный осмысленный способ - накопление нуклида как побочного продукта, возникающего в ядерном цикле производства трития (изотоп водорода-3).

Тритий довольно радиоактивен, период полураспада около 12 лет. Основной канал его распада - бета-распад, и как раз с образованием иона гелия-3.
Тритий можно производить только на ядерных реакторах при нейтронном облучении лития-6 - отсюда исключительная дороговизна.

А вот в космическом пространстве тритий, и соответственно, гелий-3, образуются естественным путем при соударении частиц космического излучения с ядрами различных материалов.

И тут в дело вступает гениальная идея - давайте привезем из космоса то, чего нет на Земле.

Interlune - это стартап из Сиэтла, основанный бывшими руководителями Blue Origin. Их главная цель - промышленная добыча лунных ресурсов, в частности, гелия-3. Проект опирается на запатентованную систему сбора, которая "в 10 раз эффективнее по энергопотреблению, чем традиционные методы термической экстракции летучих веществ из реголита".

Процесс добычи разделен на четыре основных этапа:

🚘 Экскавация. Высокопроизводительные экскаваторы, разработанные совместно с Vermeer Corporation, способны перерабатывать до 100 тонн реголита в час. Инструмент SILT (Scalable Implement for Lunar Trenching) может копать на глубину до трех метров.

🪣 Сортировка и обработка. Бортовые системы используют визуальные сенсоры и георадары для навигации и сортировки материала по размеру фракций. Крупные камни удаляются манипулятором, чтобы избежать износа оборудования.

⌛ Экстракция. Вместо энергозатратного плавления Interlune применяет "газовый процесс" извлечения изотопов - якобы, некоторый оригинальный способ физико-химического разделения, который будет проходить прямо на Луне. Это позволяет сделать оборудование настолько компактным, что весь комплекс помещается в один запуск SpaceX Starship.

⚗️ Сепарация. Извлеченные газы проходят через криогенное разделение на пилотной установке, чтобы изолировать Гелий-3 от Гелия-4 и других примесей.

Дорожная карта миссий:

2025 - Разведка: запуск мультиспектральной камеры на борту ровера FLIP от Astrolab для картирования концентрации гелия-3. Ещё не состоялся, though 🧐
2027 - Прототип: демонстрационная миссия для проверки технологии экстракции в условиях Луны.
2029 - Пилотный завод: cоздание маломасштабного производства и доставка первых партий гелия-3 на Землю для таких клиентов, как Bluefors и Министерство энергетики США.

О сотрудничестве Bluefors и Interlune мы писали ранее ⬆️

На сегодняшний день компания Interlune привлекла более $23 млн инвестиций для реализации своей миссии. Основная часть средств была получена в ходе раунда посевного финансирования в 2024 году, в начале 2026 года компания привлекла дополнительные средства.

Итак, дамы и господа, встречайте - квантовый отжиг 🔥
Термин немножечко жаргонный, более верно называть это дело адиабатическими квантовыми вычислениями.

🔥Часть 1 - Энергетический ландшафт

Для понимания принципа квантового отжига нужно представить себе структуру уровней сложной квантовой системы, зависящей от набора численных параметров. Точно решать её гамильтониан в общем случае мы, конечно, не умеем, но некоторые общие свойства системы уровней можно установить.

Так, всегда у системы есть набор собственных уровней, при изменении параметров они начинают пересекать друг друга. На картинке - пример такой ситуации. Черная сплошная линия - уровень "up" с состоянием |ф_up>, черная пунктирная - уровень "down" с состоянием |ф_down>. Собственные векторы этих уровней не "перекрываются" , то есть <ф_up|ф_down> = 0. Но при выравнивании энергий в дело вступает взаимодействие внутри гамильтониана - как правило, оно есть - и произойдет расталкивание уровней, называемое также антипересечением.

Величина расталкивания определяется взаимодействием, но в точке максимального антипересечение получаем новые собственные векторы:

|ф1> =1/√2 ( |ф_up> - |ф_down> )
|ф2> =1/√2 ( |ф_up> + |ф_down> )

Реальное поведение уровней энергии описывается красной и синей линиями.

Теперь, что будет для большого количества уровней?

По-простому, для одного из параметров нарисуйте много-много пересекающихся уровней. Потом каждое пересечение нужно заменить на антипересечение правильной величины. Учитывая, что антипересечения могут накладываться друг на друга - картина сложная, точную структуру даже основного состояния для произвольного значения параметров и силы связей узнать трудно.

Трудно - если только вы не имеете аппаратную копию всей системы! Это и нужно для проведения адиабатического квантового отжига.

Продолжение следует...

👋

🧲

Любой инженер или физик прекрасно знает, что такое индуктивность: проводник, свитый в колечко, запасает большую энергию в магнитном поле, которое создаётся при протекании через него тока.

Оказывается, что в сверхпроводниках существует совсем другой тип индуктивности, не имеющей ничего общего с магнитным полем - так называемая кинетическая индуктивность.

🛞

Кинетическая индуктивность существует в сверхпроводниках, потому что носители заряда (куперовские пары) обладают массой и движутся без сопротивления. В обычном проводнике электроны постоянно сталкиваются с кристаллической решеткой, что мешает им накопить значительный импульс. В сверхпроводнике эти столкновения исчезают, позволяя "разгону" конденсата выйти на первый план.

Фактор инерции
Индуктивность - мера противодействия системы изменениям тока. В сверхпроводнике, чтобы увеличить ток, нужно физически ускорить куперовские пары, обладающие массой, то есть инерцией. Они сопротивляются разгону, а начав движение - сопротивляются остановке. Это механическое запаздывание ведет себя точно так же, как электрическая индуктивность.

Хранение кинетической энергии
Обычный соленоид - это геометрическая (или магнитная) индуктивность, она запасает энергию в магнитном поле вокруг провода. Кинетическая индуктивность запасает энергию непосредственно в движении самих частиц. Когда вы прикладываете напряжение, вы совершаете работу, чтобы придать куперовским парам кинетическую энергию. Когда напряжение снимается, этот накопленный импульс поддерживает течение тока.

Почему существует именно в сверхпроводниках
В обычных металлах электроны сталкиваются так часто, что не успевают набрать достаточный импульс, чтобы этот эффект стал заметным. В сверхпроводниках «длина свободного пробега» фактически бесконечна. В тонких пленках или нанопроволоках количество носителей меньше, поэтому для создания тока им приходится двигаться быстрее, что делает кинетическую энергию очень большой.

🤔
Ещё о кинетической индуктивности

При объяснении физики иногда получается, что вроде все в целом правильно сказано, но акцент получился не тот, и смысл от читателя ускользает.

Кинетическая индуктивность Lk связана с движением зарядов, поэтому чисто технически она имеет место и для обычного металла, даже формулы для определения будут несильно отличаться. Плотность куперовских пар в сверхпроводниках недалека от плотности проводящих электронов (тех, которые вблизи уровня Ферми) в нормальном металле. Поэтому номинально, значения Lk будут сравнимыми.

Однако, эффект заметно усиливается в тонких плёнках, потому как там имеем меньшую площадь сечения, через которую должен протечь тот же ток. И здесь разница уже существенна: в тонких нормальных плёнках сопротивление вырастет вместе с кин. индуктивностью. Почти на любых частотах, кроме очень высоких (где значительнее индуктивный импеданс) никакого её влияния в эксперименте не увидеть, потому как последовательно с ней включен гораздо больший активный импеданс. В сверхпроводниках ничего активного нет, поэтому главный отклик в узких полосочках из очень тонких пленок - именно кин.-индуктивный.

Однако, как показывают некоторые работы, можно увидеть эффект в двумерном электронном газе. Пришлось уйти в гигагерцы, что для некоторых задач довольно экзотично, но в целом высокая подвижность электронов в 2DEG обуславливает хорошую проводимость при очень малых концентрациях носителей, что по модели Друде сильно увеличивает кинетическую индуктивность.

Такие дела 🫠

👋

🔥 Адиабатические квантовые вычисления

🔥Часть 3 - Тише едешь - дальше будешь от того места, куда едешь

ранее - часть 1, часть 2

Итак, мы работаем с системой связанных потоковых кубитов. Для начала, мы хотим покрутить параметры так, чтоб гамильтониан был очень простым (например, содержал только одночастичные энергии), и мы могли бы инициализировать систему в основном состоянии, поскольку для простого гамильтониана оно нам известно - например, все спины торчат вниз.

Дальше в ход вступает прекрасная штука в квантовой механике, которая называется адиабатической теоремой: если вы очень медленно меняете параметры гамильтониана, то система остаётся там, где она была - то есть, в основном состоянии. Таким образом, мы усложняем гамильтониан до целевого, структура состояния в потоковом базисе усложняется, но энергетически все происходит так, как показано на картинке: как сидели на наинизшем уровне, так в нем и остаёмся.

Допустим, что когда условный параметр по оси Х графика был нулем - мы имели исходный простой гамильтониан, а когда мы покрутили "ручки" нашей железки и параметр стал равен единице - мы получили целевой гамильтониан, описывающий нашу (сложную и полезную, конечно же) задачу. Для ответа мы измеряем кубиты в этом основном состоянии, и результат измерения нетривиален, потому как для сложного гамильтониана основное состояние имеет нетривиальную структуру: там может быть запутанность и т.п.

На первый взгляд кажется, что все очень странно и где-то произошел обман трудящихся. Принципиального омана в целом нет, более того, есть фундаментальная теорема о том, что эта модель вычислений полностью эквивалентна вентильной модели, то есть, адиабатический отжигатель в принципе является универсальным квантовым компьютером! 💻

Что касается "практического обмана" - есть определенные сложности, связанные с местом, которое на картинке обозначено как "minimum gap". Об этом и о других проблемах предлагаемого подхода поговорим уже в следующий раз.

Продолжение следует...
👋

Контрактное производство сверхпроводниковых квантовых процессоров

Как и в случае с классической кремниевой электроникой, модель производства чипов QPU (Quantum Processing Unit) по дизайну заказчика может оказаться довольно значимой в условиях быстрорастущего квантового рынка и взрывного спроса на аппаратную часть. Поэтому думаем, что настал момент пристально рассмотреть уже возникающее предложение на оказание подобных услуг всем желающим и могущим.

Ниже - краткий обзор и анализ стартапов, которые уже работают по модели контрактного производства, либо же явно собрались заняться этим в ближайшем будущем.

QuantWare

Один из наиболее явных «открытых» коммерческих вариантов. Компания из Дельфта (Нидерланды) предлагает услуги по производству на заказ чипов со сверхпроводниковыми кубитами, созданных на базе своей платформы VIO, и позиционирует себя как поставщика для системных интеграторов, а не только как вертикально интегрированную компанию по производству квантовых компьютеров. В своих публичных материалах компания подчеркивает поддержку на всех этапах - от проектирования до производства - а также представляет план развития от нынешних двумерных архитектур разводки к более концептуально сложным устройствам.

В конце 2025 года компания анонсировала Kilofab - фабрику по производству QPU промышленного масштаба, запуск которой запланирован на 2026 год, что подтверждает намерения стать масштабной производственной платформой, а не просто нишевым поставщиком чипов.

Тем не менее, компания очень молода, а заявления в дорожной карте амбициозны - обещают упакованные 10 тыщ кубитов уже в 2028 году. Ну и очевидный факт: в условиях возникающей технологии в целом трудно рассчитывать на стабильность в производстве очень больших объемов квантовых чипов с высоким выходом годных и достаточной отказоустойчивостью.

SkyWater Technology

В настоящее время предлагает производство сверхпроводящих кубитов, квантовых процессоров и криогенной управляющей электроники. Исторически SkyWater - это полупроводниковый производитель, который решил перепрофилироваться и адаптироваться к сверхпроводниковой платформе, а не квантовый стартап, который вынужденно занимается производством чипов. Компания также указывает на актуальность контрактного производства благодаря работе, связанной с D-Wave и более поздним проектам в области сверхпроводимости.

Судя по открытым материалам SkyWater, предложения по сверхпроводниковым устройствам, по всей видимости, представляют собой в первую очередь индивидуальную модель «TaaS» (услуги на основе технологии) или совместной разработки, хотя компания также позиционирует себя как коммерческий поставщик. Кроме того, IonQ в январе 2026 года объявила о соглашении по приобретению SkyWater. Ожидается, что SkyWater продолжит обслуживать внешних клиентов после закрытия сделки, но сам факт сделки может как усилить квантовую направленность, так и вызвать опасения у некоторых покупателей относительно каналов сбыта.

В сухом остатке - наиболее «фабричный» вариант из доступных, что может быть важно для клиентов, которым нужен серьезный партнер по производству, а не небольшая чистая комната институтского формата.

Продолжение следует...

(ставьте реакции, если эта тема зашла, и мы напишем еще о парочке компаний)

👋