Компания Microsoft выпустила Majorana 1 – первый в мире топологический квантовый процессор, способствующий созданию квантовых компьютеров с миллионом кубитов. Сделанный из нового материала под названием «топологический проводник», процессор производит высокостабильные кубиты, управляемые цифровыми средствами. Это открытие является значительным шагом на пути к созданию практичных квантовых компьютеров – цели, которую компания считает осуществимой уже через несколько лет, а не десятилетий.
Квантовые компьютеры, опираясь на принципы квантовой механики, способны революционизировать множество областей. В отличие от классических битов, существующих в виде 0 или 1, кубиты могут находиться в суперпозиции, что существенно увеличит вычислительные возможности по сравнению с обычными компьютерами.
Квантовые компьютеры применяются в химии, медицине, фармацевтике, материаловедении, финансах, криптографии и других областях. Вычислительные возможности квантовых компьютеров позволяют моделировать поведение ферментов и микроорганизмов с высокой точностью. Это способствует эффективному использованию их в сельском хозяйстве: улучшает удобрительную способность почвенного микробиома или повышает ее устойчивость к засухе.
Квантовые вычисления позволят быстро разрабатывать самовосстанавливающиеся материалы, пластик, легко разлагающийся в природе без токсичных отходов, многоцелевые лекарства и так далее. В целом это ускорит вычислительные процессы, на которые обычным компьютерам потребовалось бы множество лет. Эксперты полагают, что сочетание с инструментами искусственного интеллекта повысит точность и вычислительную мощность.
«Любая фирма, производящая что-либо, может изначально проектировать его безупречно. Квантовый компьютер при этом просто выдаст ответ. — пишет в своём блоге Маттиас Тройер, технический эксперт Microsoft. Квантовый компьютер обучает искусственный интеллект «языку природы», чтобы тот мог предоставить вам рецепт нужного результата. ».
Маршрут к прибыльным квантовым компьютерам.
Для выполнения вычислений квантовые компьютеры требуют архитектуры, способной поддерживать не менее миллиона кубитов для быстрого выполнения триллионов операций. Но сами кубиты неустойчивы и очень чувствительны к помехам внешней среды. Квантовое состояние их может меняться из-за измерений, а уязвимость к ошибкам возрастает пропорционально количеству поддерживаемых кубитов.
Тройер с сослуживцами выдвинул новый метод создания кубитов, которые можно измерить и управлять, при этом сохраняя стабильность и не нуждаясь в исправлении ошибок. Называются эти кубиты топологическими, и их преимущество проявляется в скорости, размере и управляемости.
«Всё ваше действие в квантовой сфере должно быть направлено на миллион кубитов. Иначе вы столкнётесь с преградой, не достигнув масштаба, необходимым для решения серьёзных проблем. — поясняет Четан Наяк, работающий также техническим сотрудником Microsoft. В действительности нам удалось найти способ создать миллион кубитов. — Результат изучения вышел совсем недавно в журнале, — говорит он. .
Материал, формирующий новую форму вещества.
Исследователи считают топологические кубиты наиболее перспективным направлением для создания масштабируемых и управляемых кубитов, способных обеспечить коммерчески выгодную вычислительную мощность. Для этого необходимы топологические квантовые процессоры (или топологические сверхпроводники) — тип материала, создающий новое состояние материи, а также экзотические квантовые частицы — майораны. Майорановские кубиты могут скрывать квантовую информацию, что делает их более надежными, но и сложными для измерения.
Главная сложность состоит в том, что майоровские частицы ни разу не были замечены и созданы. Их нет в природе и можно получить только при помощи точных магнитных полей и сверхпроводников.
«Открытие нового состояния материи — одно, а его использование для переосмысления квантовых вычислений на широкую масштабную основу — совсем другое. — Объясняет Наяк. Создание необходимых материалов и использование их топологического состояния — сложные задачи, поэтому большая часть исследований посвящена другим типам кубитов.
Процессор Microsoft Majorana 1, созданный из арсенида индия и алюминия, предназначен для работы с одноименными кубитами. Большинство деталей разработаны и собраны по одному атому за раз. Топологическая структура процессора включает алюминиевые нанопроводы, соединенные друг с другом и образующие H-образные конструкции.
Каждый элемент типа H содержит четыре управляемые майорановские частицы и формирует кубит. Таких структур можно соединять и размещать на чипе подобно плиткам. Команда утверждает, что процессор позволит объединить миллион майорановских кубитов в единую систему.
Чтобы преодолеть трудности измерений, свойственные майорановским частицам, учёные создали систему включения и выключения измерений импульсами напряжения, аналогичными переключателю. Благодаря такому подходу можно управлять кубитами цифровую форму и проводить измерения с высокой точностью.
Процессор комплектуется вспомогательными устройствами для стабильной работы, среди которых разбавляющий охладитель, поддерживающий температуру кубитов ниже межзвездной. Кроме того, имеется набор управляющего ПО, которое совместимо с ИИ и обычными компьютерами.
Исследователи уверены, что доработки процессов и интеграция процессора в крупные инфраструктуры займут ещё несколько лет. Вместе с тем, компания полагает, что этот прорыв может привести к появлению коммерчески жизнеспособных квантовых компьютеров раньше, чем считалось прежде. Microsoft также принимает участие в программе DARPA по оценке достижений и перспектив в области квантовых вычислений.