Первый квантовый чип, использующий принципиально новую архитектуру топологического ядра
Компания Microsoft сегодня сделала большой шаг в будущее квантовых вычислений, представив Majorana 1 — первый квантовый чип, использующий принципиально новую архитектуру топологического ядра. Этот чип знаменует собой начало новой эры в развитии квантовых технологий, обещающей ускорить создание мощных квантовых компьютеров, способных решать крупномасштабные задачи промышленности в считанные годы, а не десятилетия.
Основой чипа стал революционный материал — топопроводник, позволяющий наблюдать и манипулировать майорановскими частицами. Это открытие даёт возможность создавать более стабильные и масштабируемые кубиты, которые служат основными элементами квантовых вычислительных систем.
Представители Microsoft подчеркнули, что подобно тому, как изобретение полупроводников привело к возникновению современных смартфонов и компьютеров, топопроводники и основанные на них микросхемы открывают дорогу к созданию квантовых систем, способных масштабироваться до миллионов кубитов. Эти системы смогут справляться с самыми сложными промышленными и общественными проблемами, став важным инструментом для будущих технологических прорывов.
Новая архитектура, лежащая в основе процессора Majorana 1, открывает путь к созданию квантовых компьютеров, способных вместить миллионы кубитов на одном чипе размером с ладонь, утверждает Microsoft. Это достижение выводит квантовые технологии на качественно новый уровень, позволяющий решать задачи, которые недоступны современным суперкомпьютерам. Квантовые системы такого масштаба обещают революционные решения — например, разложение микропластика на безопасные компоненты или разработку самовосстанавливающихся материалов для строительства, производства и медицины. Сила квантовых вычислений столь велика, что даже объединение всех существующих компьютеров мира не способно достичь той производительности, которой обладают квантовые машины с миллионом кубитов.
Топопроводник, или топологический сверхпроводник, представляет собой уникальный материал, способный формировать новое, ранее неизвестное состояние вещества — топологическое. Это не твёрдая, жидкая или газообразная фаза, а совершенно иной вид материи. Именно эта особенность делает топопроводники идеальными для создания стабильных кубитов, которые отличаются быстротой, компактностью и цифровой управляемостью, не требуя компромиссов, присущих существующим аналогам.В недавно опубликованной статье в журнале Nature учёные из Microsoft описали, как им удалось воспроизвести экзотические квантовые свойства топологических кубитов и точно измерить их характеристики. Этот прорыв является важнейшим шагом на пути к реализации практичных квантовых вычислений.
Этот прорыв стал возможен благодаря разработке абсолютно нового набора материалов на основе арсенида индия и алюминия, большая часть которых была спроектирована и изготовлена Microsoft буквально атом за атомом. Основная цель заключалась в создании условий для возникновения уникальных квантовых частиц — майоранов, чьи свойства позволяют вывести квантовые вычисления на следующий уровень, заявили представители компании.Majorana 1 функционирует на первом в мире топологическом ядре, которое отличается высокой устойчивостью и способностью эффективно исправлять ошибки на аппаратном уровне, обеспечивая тем самым исключительную стабильность системы.
Для коммерчески значимых приложений потребуется выполнение триллионов операций на миллионе кубитов, что невозможно осуществить с использованием текущих подходов, основанных на тонкой настройке аналогового контроля каждого кубита. Новый метод измерений, предложенный командой Microsoft, позволяет осуществлять цифровое управление кубитами, кардинально пересматривая и упрощая принципы работы квантовых компьютеров.
Прогресс, достигнутый Microsoft, наглядно оправдывает рискованное решение, принятое несколько лет назад, — сосредоточиться на разработке топологического кубита. Этот амбициозный проект, сочетавший научные и инженерные вызовы, теперь приносит плоды. Компания успешно интегрировала восемь топологических кубитов на чипе, который изначально разрабатывался с расчетом на масштабирование до миллиона таких элементов.
Квантовые вычисления обладают огромным потенциалом, способным изменить правила игры в самых разных отраслях — от медицины до проектирования продукции. Их сила заключается в способности моделировать сложные системы и находить оптимальные решения мгновенно, минуя долгие годы экспериментов и пробных версий.
Сочетание квантовых технологий с искусственным интеллектом открывает новые горизонты: инженеры и ученые смогут формулировать запросы на естественном языке, описывая желаемые параметры материалов или молекул, и получать точные результаты без долгих поисков и ошибок. Это означает, что любая компания, производящая продукцию, сможет сразу же разработать идеальный продукт, сэкономив время и ресурсы.Как объяснил Тройер, квантовый компьютер, обученный "языку природы", сможет переводить запросы в конкретные инструкции, давая точные рецепты для создания нужных материалов или объектов.
Новые мысли квантовых вычислений
Мир квантовой механики подчиняется законам, радикально отличающимся от тех, что управляют повседневной реальностью. Основой квантовых вычислений выступают кубиты — аналоги классических компьютерных битов, представляющих единицы и нули, но обладающие уникальными свойствами.
Кубиты чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям, будь то шумы или вибрации, что приводит к утрате информации и дестабилизации системы. Ещё одна сложность заключается в том, что сами измерения, необходимые для выполнения вычислений, могут изменять состояние кубитов, нарушая их целостность. Главная задача состоит в создании кубитов, которые можно надёжно измерять и контролировать, защищая их от разрушительных воздействий внешней среды.
Существует множество способов создания кубитов, каждый из которых имеет свои сильные и слабые стороны. Около двух десятилетий назад Microsoft приняла смелое решение сосредоточиться на разработке топологических кубитов, которые, по её убеждению, обеспечат более высокую стабильность и потребуют меньшего количества коррекций ошибок. Этот подход предполагал преодоление множества научных и технических трудностей, но обещал стать ключевым шагом к созданию масштабируемых и надёжных квантовых систем, способных решать практические задачи.
Основным препятствием на пути к использованию топологических кубитов было отсутствие возможности наблюдать и воспроизводить экзотические частицы, называемые майоранами. Эти частицы не встречаются в природе и могут возникать только при определённых условиях, таких как воздействие магнитных полей и сверхпроводимости. Разработка необходимых материалов и создание топологического состояния материи представляли собой серьёзные технические трудности, из-за чего большинство усилий в области квантовых вычислений были направлены на другие типы кубитов.
Однако статья, опубликованная в журнале Nature, стала убедительным доказательством того, что Microsoft не только смогла создать майорановы частицы, защищающие квантовую информацию от внешних помех, но и научилась надёжно измерять эту информацию с помощью микроволн. Хотя майораны усложняют процесс измерения, повышая надёжность хранения квантовой информации, новый подход Microsoft к измерениям отличается высокой точностью, позволяющей различать разницу в один электрон на миллиарде в сверхпроводящей цепи. Это критически важно для определения состояния кубита и лежит в основе квантовых вычислений.
Измерения в новом подходе можно активировать и деактивировать простыми импульсами напряжения, что похоже на включение-выключение обычного выключателя. Это значительно проще, чем настройка отдельных кубитов вручную, и позволяет управлять системой в цифровом формате, упрощая процесс квантовых вычислений и снижая требования к оборудованию.
Топологический кубит Microsoft выделяется не только своей стабильностью, но и оптимальным размером. Существует тонкий баланс: слишком маленький кубит сложно контролировать, а слишком крупный потребует огромных ресурсов для управления. Индивидуальная система управления такими кубитами могла бы увеличить размеры компьютера до размеров ангара или футбольного поля. Однако Majorana 1, чип Microsoft, содержащий как кубиты, так и управляющую электронику, умещается на ладони и легко интегрируется в квантовые системы, подходящие для центров обработки данных Azure.
Проектирование квантовых материалов атом за атомом
Архитектура топологического кубита Microsoft основана на алюминиевых нанопроводах, соединённых в форме буквы "H". Каждая такая структура содержит четыре управляемых майорана, формируя один кубит. Эти элементы могут быть объединены и размещены на чипе, словно мозаика.
«Создание нового состояния материи оказалось сложной задачей, но после этого всё стало относительно простым, — отметила Криста Своре, технический специалист Microsoft. — Такая конструкция позволяет выстроить систему в линейной последовательности, предлагая более быстрый и эффективный путь к масштабированию».
Квантовый чип функционирует не изолированно, а в тесной взаимосвязи с управляющей логикой, криогенным охлаждением, поддерживающим кубиты при температурах, значительно ниже космического вакуума, и программным обеспечением, обеспечивающим интеграцию с классическими компьютерами и системами искусственного интеллекта. Все эти компоненты разработаны и адаптированы внутри компании, подчеркнула представитель Microsoft.Хотя для полноценного функционирования системы в промышленных масштабах предстоит решить ещё множество инженерных задач, многие из самых сложных проблем уже нашли своё решение, уверяет Microsoft.
Одной из главных трудностей было точное размещение материалов для формирования топологического состояния материи. Вместо традиционного кремния Microsoft использует арсенид индия — материал, применяемый в инфракрасных датчиках, обладающий уникальными свойствами. В сочетании с сверхпроводимостью, достигаемой при экстремально низких температурах, создаётся гибридный материал.
«Мы буквально наносим атомы слой за слоем. Материалы должны располагаться идеально. Даже малейшие дефекты в структуре могут уничтожить кубит», — пояснила Своре.
Парадоксально, но именно для лучшего понимания свойств этих материалов и предсказания новых, ещё более эффективных соединений, необходим квантовый компьютер. Масштабируемая квантовая система позволит прогнозировать и разрабатывать материалы с улучшенными характеристиками для следующих поколений квантовых компьютеров, добавила она.