Современные сверхпроводниковые квантовые компьютеры уперлись в компонент, конструкция которого почти не менялась больше четверти века. Национальный научный фонд США (NSF) выделит Принстонскому университету $27,9 млн на создание исследовательского института MARQUIS, где физики, материаловеды и специалисты по производству полупроводников попробуют заново разработать один из ключевых элементов квантовых процессоров. Проект рассчитан на пять лет и должен устранить технологическое препятствие, мешающее переходу от лабораторных прототипов к крупным вычислительным системам.
Институт получил название MARQUIS, сокращение от Manufacturable and Resilient superconducting Quantum Information Systems. В проект войдут два десятка с лишним лабораторий из девяти исследовательских организаций, включая Принстон, Корнеллский университет, Массачусетский технологический институт, Стэнфорд, Калифорнийский университет в Санта-Барбаре и Дартмутский колледж. В консультативный совет вошли представители Google Quantum AI, NVIDIA, Applied Materials, Oxford Instruments и других организаций. MARQUIS стал одним из восьми новых квантовых институтов, о запуске которых 25 августа сообщил NSF . На всю программу ведомство направляет $290 млн.
Главной мишенью исследователей станет джозефсоновский переход, микроскопический элемент, лежащий в основе практически всех современных сверхпроводниковых кубитов. Конструкция напоминает металлический сэндвич: два проводящих слоя разделяет прослойка окисленного металла толщиной всего в несколько атомов. Через барьер перемещаются связанные пары электронов, благодаря чему схема способна работать с квантовыми состояниями. Большинство современных устройств по-прежнему используют алюминий и оксид алюминия, как и первые сверхпроводниковые кубиты более 25 лет назад.
Подход хорошо показал себя в небольших экспериментальных установках, однако дальнейшее масштабирование требует более воспроизводимых и устойчивых компонентов. Руководитель MARQUIS, профессор Принстонского университета Натали де Леон, считает ограничения материалов одним из следующих крупных узких мест квантовых вычислений. Вместо постепенной доработки старой схемы команда намерена искать новые материалы и способы изготовления джозефсоновских переходов.
У Принстона уже появился опыт радикального пересмотра материалов сверхпроводниковых кубитов. В 2025 году группа де Леон совместно с другими исследователями университета представила новый вариант квантового чипа. По данным Принстона, созданные кубиты показали результат примерно в 15 раз выше по сравнению с ведущими промышленными чипами, после чего команда добилась дальнейшего прогресса. Новый институт должен перенести подобные эксперименты из отдельных лабораторий в более системную программу.
MARQUIS займется не только подбором материалов. Исследователи разработают единые методы сравнения разных конструкций и будут проверять компоненты на квантовых процессорах среднего масштаба. Подобные тестовые системы займут промежуточное положение между небольшими академическими установками и будущими крупными процессорами, рассчитанными на выполнение практически полезных квантовых алгоритмов. Общая методика испытаний также позволит разным лабораториям сравнивать результаты по одинаковым критериям.
Отдельную роль сыграют технологии полупроводниковой промышленности. Производство современных микросхем накопило огромный набор методов обработки материалов, плазменного травления и контроля технологических процессов, однако большая часть специализированных знаний редко пересекается с академическими исследованиями квантовых устройств. MARQUIS должен объединить специалистов из материаловедения, квантовой физики и промышленного производства вокруг одной задачи: превратить джозефсоновский переход из лабораторного компонента в элемент, пригодный для стабильного выпуска крупных квантовых процессоров.