В феврале 1951 года в Манчестере установили компьютер, занимавший целую комнату. Ferranti Mark I состоял примерно из 4000 электронных ламп, 100 000 паяных соединений и десяти километров проводов. Машина потребляла 27 киловатт энергии, примерно столько сегодня нужно для одновременной работы 600 обычных ноутбуков. При скромной по современным меркам производительности Ferranti Mark I вошёл в историю как первый серийный универсальный компьютер, который можно было приобрести для решения разных задач.

Через 75 лет вычислительная техника в Манчестере уменьшилась от шкафов высотой два с половиной метра до отдельных атомов. Теперь исследователи пытаются создать квантовые процессоры на основе особо чистого кремния. Материал должен защитить квантовые биты от помех и помочь перейти от небольших экспериментальных устройств к машинам, содержащим сотни тысяч или миллионы кубитов.

Обычные компьютеры хранят и обрабатывают данные с помощью битов. Каждый бит принимает одно из двух значений: ноль или единицу. Кубит подчиняется законам квантовой механики и может находиться в суперпозиции, где состояния нуля и единицы сочетаются до момента измерения.

Суперпозиция сама по себе не означает, что квантовый компьютер мгновенно проверяет все варианты и выдаёт готовый ответ. Преимущество появляется благодаря тому, как кубиты взаимодействуют, меняют вероятности разных исходов и усиливают правильные решения. Для некоторых задач подобная схема требует намного меньше операций, чем последовательный перебор на классической машине.

Квантовые компьютеры могут пригодиться там, где приходится описывать сложные молекулы и материалы, рассчитывать поведение электронов или анализировать огромные пространства возможных решений. В перспективе подобные системы помогут искать лекарства, разрабатывать катализаторы, изучать аккумуляторы и проверять стойкость новых способов шифрования. Однако большинство алгоритмов пока существует в виде экспериментов, а современные устройства слишком малы и нестабильны для многих практических расчётов.

Главная проблема связана с хрупкостью кубитов. Тепло, электромагнитные помехи, дефекты материала и взаимодействие с соседними атомами постепенно разрушают квантовое состояние. Кубит теряет записанную информацию раньше, чем процессор успевает выполнить длинную последовательность операций. Чем больше элементов содержит устройство, тем труднее удерживать их под контролем.

Один из возможных путей ведёт через кремний. Производители электроники десятилетиями совершенствовали обработку этого материала и научились создавать на его основе элементы размером в несколько нанометров. Кремниевые квантовые процессоры теоретически можно выпускать с помощью технологий, близких к тем, которые уже применяются на полупроводниковых заводах.

Природный кремний мешает работе спиновых кубитов из-за своего изотопного состава. Большую часть материала составляет кремний-28, ядро которого не обладает собственным спином. Около 5% приходится на кремний-29. Ядра кремния-29 имеют ненулевой спин и создают вокруг кубита меняющееся магнитное поле.

Подобные колебания нарушают состояние электрона, спин которого хранит квантовую информацию. В англоязычных описаниях процесс иногда называют nuclear flip-flopping, но дословный перевод плохо объясняет физику. Ядерные спины обмениваются ориентацией и создают магнитный шум, из-за которого кубит быстрее теряет согласованное квантовое состояние.

В 2024 году исследователи предложили очищать отдельные участки обычной кремниевой пластины с помощью сфокусированного пучка ионов кремния-28. Ионы внедряли в поверхность и вытесняли нежелательные изотопы, прежде всего кремний-29. После обработки доля кремния-28 на выбранном участке достигала 99,997%, а концентрация кремния-29 опускалась ниже трёх миллионных долей.

Метод отличается от выращивания целого кристалла из заранее обогащённого сырья. Исследователи могут очищать только тот участок готовой пластины, где позже разместят кубит. Локальная обработка сокращает расход дорогого изотопно чистого материала и лучше сочетается с производством микросхем.

Для внедрения использовали ионы кремния-28 с энергией 45 килоэлектронвольт. После облучения пластину нагревали, чтобы восстановить повреждённую кристаллическую решётку. Анализ показал, что обработанный слой сохраняет структуру, пригодную для создания электронных компонентов. Участок с пониженным содержанием кремния-29 может служить более спокойной средой для спинового кубита.

Авторы работы назвали полученный материал самым чистым кремнием, созданным для подобных квантовых устройств. Формулировка относится не ко всему произведённому человечеством кремнию, а к локально обогащённому слою на стандартной пластине и к достигнутой концентрации нужного изотопа. Метод пока необходимо масштабировать, научиться равномерно обрабатывать большие площади и проверить на полноценных прототипах процессоров.

В дальнейших экспериментах команда изучала, как энергия и угол падения ионов влияют на обогащение кремния-28, выбивание атомов с поверхности и повреждение решётки. Компьютерное моделирование помогло сопоставить движение отдельных атомов с изображениями обработанных образцов под электронным микроскопом. Результаты нужны для настройки процесса, при котором нежелательные изотопы удаляются, а сама пластина остаётся пригодной для размещения квантовых элементов.

Очищенный кремний рассматривают как основу для компактных массивов спиновых кубитов. Один кубит можно сформировать из электрона, удерживаемого в небольшом участке полупроводника, либо использовать спин ядра специально внедрённого атома. Размер отдельных элементов измеряется нанометрами, поэтому на крошечной площади теоретически поместится очень много кубитов.

Оценка в один миллион кубитов пока описывает возможный предел плотности, а не готовый проект процессора размером с булавочную головку. Реальной машине потребуются линии управления, средства охлаждения, электроника для считывания, соединения между элементами и система исправления ошибок. Физические кубиты также придётся объединять в группы, чтобы получить более надёжные логические кубиты.

Даже при хорошем материале полностью избавиться от ошибок невозможно. Квантовая коррекция кодирует одну логическую единицу информации сразу во многих физических кубитах. Система отслеживает нарушения, не измеряя напрямую полезное квантовое состояние, и восстанавливает повреждённые данные. В зависимости от качества оборудования для одного логического кубита могут понадобиться сотни или тысячи физических.

Параллельно квантовые процессоры начинают применять в научных экспериментах, где обычные компьютеры сталкиваются с быстрым ростом сложности. В марте 2026 года квантовую машину IBM использовали для изучения искусственно созданной молекулы C₁₃Cl₂. Соединение собрали атом за атомом из специально подготовленного предшественника в условиях сверхвысокого вакуума и при температуре, близкой к абсолютному нулю. Лишние атомы удаляли точно настроенными импульсами напряжения.

Молекула получила необычную электронную структуру, которую описали как полумёбиусову топологию. Обычное молекулярное кольцо можно мысленно обойти по электронным орбиталям и вернуться в начальную точку после одного полного круга. В ленте Мёбиуса поверхность имеет один поворот, поэтому путь возвращается к исходной ориентации только после двух оборотов. У нового соединения взаимодействие электронов создало промежуточную структуру, ранее не наблюдавшуюся в молекулах.

Для проверки свойств потребовалось рассчитать взаимодействие 32 электронов. Точное моделирование столь крупной электронной системы быстро выходит за пределы классических методов: объём вычислений растёт экспоненциально с добавлением каждой частицы. Ещё около десяти лет назад исследователи могли точно рассчитывать системы примерно из 16 электронов, а современные вычислительные подходы сдвинули эту границу лишь до 18.

Эксперимент не проводился целиком на квантовом компьютере. Исследователи объединили классические вычисления, квантовый процессор и методы обработки ошибок. Классическая часть подготавливала задачу и анализировала данные, а квантовая машина рассчитывала наиболее сложные фрагменты электронной структуры. Полученные результаты подтвердили необычную топологию молекулы и показали, что гибридная схема уже позволяет исследовать системы, недоступные для точного классического моделирования.

Создание молекулы и очистка кремния решают разные задачи. Первый проект проверяет, что современные квантовые устройства уже могут дать полезный научный результат. Второй пытается улучшить материал, из которого будут строить будущие процессоры. Вместе работы показывают два направления развития: применение несовершенных машин уже сейчас и постепенная подготовка более крупного и устойчивого оборудования.

Британская национальная стратегия квантовых технологий предусматривает государственные вложения в размере 2,5 млрд фунтов стерлингов за десять лет, начиная с 2024 года. Деньги направляют на исследовательские центры, подготовку специалистов, сотрудничество с промышленностью и создание технологий, которые можно вывести из лабораторий. Государство рассчитывает привлечь к программе ещё не менее миллиарда фунтов частных инвестиций.

Квантовые вычисления пока не готовы заменить обычные компьютеры. Текстовые редакторы, сайты, базы данных и большая часть производственных программ продолжат работать на классических процессорах. Квантовые машины предназначены для узкого круга задач, где свойства самой природы дают преимущество перед привычными вычислениями.

Ferranti Mark I тоже не превратил компьютеры в повседневный инструмент сразу после запуска. Машина показала, что универсальные вычисления можно вынести за пределы единичного лабораторного прототипа и превратить в серийное оборудование. Современные эксперименты с кремнием и отдельными атомами решают похожую практическую задачу: превращают работающие физические принципы в устройства, которые можно производить, масштабировать и применять вне лаборатории.