Топологических кубитов пока не существует, но компания уверена, что они будут масштабироваться.
На сегодняшний день коммерциализированы две основные технологии квантовых вычислений. Один тип оборудования, называемый трансмоном, включает в себя сверхпроводящие проволочные петли, соединенные с резонатором; его используют такие компании, как Google, IBM и Rigetti. Такие компании, как Quantinuum и IonQ, вместо этого используют отдельные ионы, удерживаемые в световых ловушках. В настоящее время обе технологии находятся в неловком положении. Они продемонстрировали свою работоспособность, но им необходимо значительное масштабирование и улучшение качества, прежде чем они смогут выполнять полезные вычисления.
Возможно, вас немного удивит тот факт, что Microsoft привержена альтернативной технологии под названием "топологические кубиты". Эта технология настолько отстает от других вариантов, что компания только что объявила о том, что она разработала физику для создания кубита. Чтобы лучше понять подход Microsoft, Ars поговорил с инженером Microsoft Четаном Наяком о прогрессе и планах компании.
Основа кубита
Microsoft начинает отставать от некоторых конкурентов, потому что базовая физика ее системы не была полностью изучена. Система компании основана на контролируемом производстве "частицы Майораны", существование которой было доказано только в последнее десятилетие (и даже тогда ее открытие вызывало споры).
Частица получила свое название от имени Этторе Майораны, который предложил эту идею еще в 1920-х годах. Проще говоря, частица Майораны является своей античастицей; две частицы Майораны, различающиеся по спину, при встрече аннигилируют. Пока что ни одна из известных частиц не является частицей Майораны (все, кроме нейтрино, точно не являются таковыми). Однако эта концепция сохранилась благодаря перспективе создания квазичастиц Майораны, или совокупности частиц и полей, которые в определенных условиях ведут себя так, как если бы это была одна частица.
Наиболее известной квазичастицей, вероятно, является пара Купера, в которой два электрона объединяются в пары таким образом, что их поведение изменяется. Куперовские пары необходимы для обеспечения сверхпроводимости.
Наяк сказал, что система Microsoft включает в себя сверхпроводящий провод и сопутствующие ему пары Купера. В обычных условиях наличие дополнительного неспаренного электрона приводит к увеличению общей энергии системы. Но в достаточно маленьком проводе в присутствии магнитного поля можно прикрепить электрон к концу провода без каких-либо энергетических затрат.
"В топологическом состоянии и топологическом сверхпроводнике в итоге получаются состояния, которые могут без энергетических затрат впитать дополнительный электрон"
— Четан Наяк
Это квантовая механика, электрон не локализован на том конце провода, куда он вставлен; вместо этого он делокализован на обоих концах.
"Два конца - это реальная и мнимая части квантовой волновой функции"
— Четан Наяк.
Эти конечные состояния называются нулевыми модами Майораны, и компания Microsoft теперь заявляет, что создала их и измерила их свойства.
От квазичастицы к кубиту
Сами по себе нулевые моды Майораны не могут использоваться в качестве кубитов. Но Наяк сказал, что их можно связать с близлежащей квантовой точкой (квантовые точки - это кусочки материала, размер которых меньше длины волны электрона в этом материале). Он описал U-образный провод с нулевыми модами Майораны на каждом конце и эти концы вблизи квантовой точки.
"Вы можете эффективно, как виртуальный процесс, заставить электрон туннелировать от квантовой точки к одной нулевой моде Майораны, а электрон туннелировать от другой нулевой моды Майораны к квантовой точке"
— Четан Наяк
Эти обмены изменяют способность квантовой точки накапливать заряд (ее емкость, другими словами), свойство, которое можно измерить. Наяк также сказал, что соединения между проволокой и квантовыми точками можно контролировать, что потенциально позволяет отсоединять нулевые моды Майораны, что поможет сохранить их состояние.
Компания Microsoft еще не дошла до того, чтобы соединить квантовую точку. Но она проделала значительный объем работы, чтобы заставить топологическое состояние работать в проволоке. Материалы, которые использует компания, относительно необычны: алюминий в качестве сверхпроводящего провода и арсенид индия в качестве полупроводника, который его окружает. Microsoft сама изготавливает все устройства.
Чтобы понять, как настроить эти устройства для достижения наилучшей производительности, потребовалось провести обширное моделирование.
"Мы смогли оптимизировать конструкцию [с помощью] моделирования, оптимизировав более 23 различных параметров. Если бы вам пришлось сортировать [их] экспериментально методом проб и ошибок, вы бы никогда не смогли оптимизировать все эти параметры за сколько-нибудь разумное время"
— Четан Наяк
Оптимизация была использована для увеличения показателя, называемого топологическим зазором. Наяк сказал, что пока температура остается ниже энергии топологического зазора, а управляющие частоты ниже этой энергии, квантовая информация должна быть стабильной. Увеличение зазора также означает, что устройство можно сделать меньше и выполнять операции быстрее.
"Небольшое увеличение топологического зазора приводит к экспоненциально большому увеличению производительности устройства - оно находится внутри экспоненты. Так что в этом смысле для нас это очень важный параметр"
— Четан Наяк
Почему именно эти кубиты?
Возможность столь значительного повышения производительности устройства за счет увеличения одного параметра является одной из причин интереса Microsoft к топологическим кубитам. Возможность уменьшать размеры устройств по мере увеличения зазора - значительная часть привлекательности. Наяк сказал, что, по консервативным оценкам, эти кубиты в конечном итоге могут занимать площадь всего 10 микрон - намного меньше, чем трансмоны или аппаратура ионных ловушек.
В то время как компании, работающие с другими подходами, думают об управлении запутанностью в нескольких устройствах для увеличения числа кубитов, Наяк утверждает, что время и ошибки, присущие такому подходу, делают его неприемлемым для Microsoft.
"Лучше бы это был единый модуль и лучше бы он поместился в один холодильник. На самом деле, лучше бы он поместился на одной пластине"
— Четан Наяк
И поскольку размер связан с топологическим зазором, это будет сопровождаться более высокой производительностью и большей стабильностью.
Но все это требует, чтобы кубиты, которых Microsoft еще не создала, вели себя именно так, как предсказывает физика.
В какой-то степени компания также делает ставку на то, что все люди, работающие над другими технологиями, потерпят неудачу, несмотря на значительное превосходство некоторых из них.
"Сегодняшние кубиты не станут основой для квантовых компьютеров завтрашнего дня. Имеющиеся у нас сегодня кубиты очень интересны, очень впечатляющи - вы можете многому научиться, провести много исследований и добиться хорошего постепенного прогресса. Но для создания квантового компьютера коммерческого масштаба потребуется какая-то новая идея"
— Четан Наяк
Это не просто уверенность в технологии, на которую компания сделала ставку; это также ставка против очень умных людей в многочисленных компаниях, которые, похоже, уверены, что смогут продолжать совершенствовать свои технологии.
