Microsoft анонсировала Majorana 1, первый в мире топологический квантовый процессор, который открывает возможности для создания квантовых компьютеров с миллионным числом кубитов. Процессор, созданный на основе инновационного материала — «топологического проводника», обеспечивает формирование высокостабильных кубитов, поддающихся цифровому управлению. Данное достижение является значительным шагом в разработке квантовых компьютеров, готовых к практическому применению, и, по оценкам компании, эта цель может быть достигнута быстрее, чем предполагалось ранее, возможно, всего через несколько лет, а не десятилетия.
Благодаря способности функционировать на основе принципов квантовой механики, квантовые компьютеры способны кардинально изменить множество сфер деятельности. В отличие от классических компьютеров, использующих биты, принимающие значения 0 или 1, квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут находиться в состоянии суперпозиции. Это открывает возможности для существенного увеличения вычислительной мощности по сравнению с традиционными вычислительными машинами.
Сфера применения квантовых технологий охватывает широкий спектр областей – от химической промышленности до медицины и фармацевтики, а также включает материаловедение, финансы, криптографию и другие направления. Благодаря вычислительным возможностям квантовых компьютеров, появится возможность математически моделировать поведение ферментов и микроорганизмов с ранее недостижимой точностью. Это, в свою очередь, позволит более эффективно использовать их в таких сферах, как сельское хозяйство, например, для улучшения способности микробиома почвы к усвоению питательных веществ или повышения ее устойчивости к неблагоприятным погодным условиям.
Квантовые вычисления откроют возможности для оперативной разработки самовосстанавливающихся материалов, биоразлагаемых пластиков, не образующих вредных отходов, универсальных лекарственных средств и многого другого. Это значительно ускорит процессы, требующие для выполнения на классических компьютерах годы. Специалисты полагают, что интеграция с инструментами искусственного интеллекта позволит дополнительно увеличить точность и вычислительные возможности.
«Любой производитель может изначально спроектировать свою продукцию безупречно. Квантовый компьютер просто предоставит требуемый ответ », — отмечает в своем блоге Маттиас Тройер, технический эксперт Microsoft. « Благодаря квантовым вычислениям, ИИ способен понимать принципы, лежащие в основе естественного языка, что позволяет ему генерировать инструкции для решения поставленных задач ».
Достижение коммерческой целесообразности квантовых компьютеров
Для проведения подобных вычислений квантовым компьютерам требуется архитектура, поддерживающая не менее миллиона кубитов, что позволит им оперативно выполнять триллионы операций. Однако кубиты отличаются нестабильностью и высокой чувствительностью к внешним факторам. Измерение может нарушить их квантовое состояние, а вероятность возникновения ошибок возрастает прямо пропорционально числу используемых кубитов.
Тройер и его соавторы предлагают инновационный метод создания кубитов, которые можно измерять и управлять ими, сохраняя при этом высокую стабильность и не нуждаясь в корректировке ошибок. Эти кубиты, известные как топологические, обладают существенными преимуществами в отношении скорости, габаритов и простоты управления.
«Любая деятельность в сфере квантовых технологий должна быть направлена на создание системы с миллионом кубитов. Иначе, прежде чем достичь необходимого масштаба для решения значимых задач, вы столкнетесь с непреодолимыми ограничениями », — поясняет Четан Наяк, также занимающий должность технического сотрудника Microsoft. « Фактически, нам удалось разработать способ достижения миллиона кубитов », — отметил он. Недавно результаты исследования появились в журнале .
Материал, формирующий новое состояние материи
Ученые полагают, что топологические кубиты представляют собой наиболее многообещающий подход к созданию масштабируемых кубитов, обладающих достаточной управляемостью для достижения коммерчески значимой вычислительной мощности. Для реализации этого необходимы топологические квантовые процессоры, также известные как топологические сверхпроводники – материал, позволяющий создавать новое состояние материи и генерировать экзотические квантовые частицы, известные как «майораны». Предполагается, что майорановские кубиты способны защищать квантовую информацию, что обеспечивает их большую надежность, но и усложняет процесс измерения.
Создание майорановских частиц представляет собой значительную проблему, поскольку они не были ранее обнаружены или синтезированы. Эти частицы не встречаются в природе и могут быть получены исключительно при использовании точных магнитных полей и сверхпроводников.
«Открытие нового состояния материи – это одно, а использование его для пересмотра квантовых вычислений в широком масштабе – совсем другое », — поясняет Наяк. Из-за трудностей, связанных с созданием необходимых материалов и эксплуатацией их топологических свойств, большинство исследований направлено на разработку альтернативных видов кубитов.
Процессор Microsoft Majorana 1, созданный на основе арсенида индия и алюминия, предназначен для работы с кубитами, названными в его честь. Его компоненты в основном создавались и собирались по одному атому. Топологическая структура процессора включает в себя алюминиевые нанопроволоки, соединенные таким образом, что формируют H-образные конфигурации.
Каждый H содержит четыре управляемые майорановские частицы и представляет собой кубит. Эти структуры, имеющие форму H, можно соединять и размещать на кристалле как плитки. По мнению разработчиков, данный процессор позволит интегрировать миллион майорановских кубитов в единую инфраструктуру.
Для преодоления сложностей, возникающих при измерении майорановских частиц, ученые создали систему, позволяющую включать и отключать измерения посредством импульсов напряжения, аналогично работе переключателя. Это позволяет осуществлять цифровое управление кубитами и выполнять высокоточные измерения.
Процессор также включает в себя ряд вспомогательных устройств, обеспечивающих его стабильную работу. Среди них – система охлаждения, поддерживающая температуру кубитов на уровне, значительно ниже межзвездной. Кроме того, процессор оснащен комплексом управляющего программного обеспечения, которое можно интегрировать как с искусственным интеллектом, так и со стандартными компьютерами.
По словам исследователей, потребуется несколько лет для совершенствования процессов и включения процессора в масштабные инфраструктуры. Тем не менее, компания полагает, что это достижение может ускорить появление коммерчески успешных квантовых компьютеров по сравнению с предыдущими оценками. Microsoft также принимает участие в программе DARPA, направленной на оценку прогресса и потенциала квантовых вычислений.