Квантовые вычисления часто провозглашаются новым технологическим достижением, обещающим решать задачи, далеко выходящие за рамки возможностей самых мощных современных суперкомпьютеров. Тем не менее, в течение многих лет исследователи ломали голову над тем, как создать машину, способную справляться со сложными физическими задачами, стоящими за кубитами, ключевыми информационными единицами в квантовых системах, которая не выходила бы из строя из-за шума, нестабильности и проблем масштабирования.
Теперь компания Microsoft заявляет, что разработала новый чип Majorana 1, инновацию, которую она называет топологической архитектурой ядра. В отличие от обычных кубитов, изготовленных из известных полупроводниковых или сверхпроводящих материалов, Majorana 1 основан на совершенно новом материале: топопроводнике. Эти материалы могут создавать новое состояние вещества, топологическое состояние, а не традиционное твердое, жидкое или газообразное.
В основе достижений Microsoft лежит новый материал topoconductor, разработанный на основе арсенида индия (полупроводника) и алюминия (сверхпроводника). Он “буквально распыляется атом за атомом”, как описал один исследователь. В результате получается нетронутая среда, поддерживающая неуловимые квантовые частицы, известные как Майораны. Частицы Майораны теоретически являются одним из наиболее надежных способов хранения квантовой информации. Благодаря своим необычным свойствам они помогают защитить данные от помех окружающей среды, сохраняя хрупкие квантовые состояния в неприкосновенности. Традиционно кубиты невероятно чувствительны и склонны к “декогеренции”, как только они вступают в контакт с посторонними электромагнитными сигналами, колебаниями температуры или даже малейшими помехами. Эта хрупкость уже давно является препятствием для создания надежных квантовых компьютеров.
Теперь Microsoft утверждает, что топологические кубиты, основанные на Майоранах, обладают “устойчивостью к ошибкам на аппаратном уровне”, по сути, вплетая стабильность в саму структуру кубита, что может сделать квантовые машины намного более практичными и простыми в масштабировании. “Мы сделали шаг назад и сказали: Хорошо, давайте изобретем транзистор для квантовой эпохи. Какими свойствами он должен обладать?” - сказал Четан Наяк, технический сотрудник Microsoft. “И это действительно то, чего мы добились – это особая комбинация, качество и важная деталь в нашем новом наборе материалов, которые позволили создать новый тип кубита и, в конечном счете, всю нашу архитектуру”.
Одна из неотъемлемых проблем заключается в том, что кубиты, как известно, подвержены ошибкам. Создание систем с исправленными ошибками обычно требует значительных затрат на дополнительные кубиты для стабилизации всего нескольких “логических кубитов”, которые выполняют вычисления. Как заявляют исследователи Microsoft, топологический подход направлен на снижение затрат на исправление ошибок за счет повышения стабильности каждого кубита. Это важный шаг вперед в стремлении создать машину, способную обрабатывать миллион кубитов, - порог, который, по мнению экспертов, необходим для решения реальных проблем. Имея доступ к миллиону кубитов в чипе, который помещается на ладони, можно фактически попасть в царство научной фантастики. Тем не менее, Microsoft считает, что именно такой масштаб достижим благодаря своей топологической базовой архитектуре. Кубиты должны не просто существовать в стабильном состоянии; ученые также должны измерять их, чтобы получить полезные ответы. Традиционные подходы часто основаны на аналоговой точной настройке каждого кубита - сложном, трудоемком процессе, который становится неуправляемым по мере роста кубитов.
Согласно сообщению Microsoft, они обошли эту ловушку, внедряя “цифровой переключатель” для соединения концов нанопроволоки (где находятся Майораны) с так называемой квантовой точкой. Эта точка хранит электрический заряд, который меняется в зависимости от количества присутствующих электронов, аналогично определению разницы между “одним миллиардом” и “миллиардом и единицей”. Эта разница в заряде показывает, находится ли кубит в четном или нечетном состоянии, что является фундаментальной информацией для квантовых вычислений. Топологическая кубитная архитектура Microsoft, выполненная в форме крошечной буквы “Н” из алюминиевых нанопроводов, объединяет четыре управляемых кубита типа Майорана в единый кубит. Эти отдельные кубиты затем можно распределить по чипу, что обеспечивает простой способ масштабирования. Это новое состояние вещества также объясняет, почему Майораны сами по себе так неуловимы: природа не создает их спонтанно. Для их создания требуются температуры, близкие к абсолютному нулю, тщательно выровненные магнитные поля и безупречная поверхность раздела между сверхпроводящим алюминием и полупроводниковым арсенидом индия. Малейшая ошибка в расположении атомов - и кубит выходит из строя. Это поразительное достижение материаловедения, свидетельствующее о масштабе инженерных задач, которые пришлось преодолеть Microsoft.
Как и в случае с любым смелым заявлением в области квантовых вычислений, для полной реализации результатов потребуются годы. Однако Microsoft позиционирует Majorana 1 как недостающий элемент головоломки, который позволит квантовым компьютерам быстрее решать проблемы, формирующие отрасль. Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA), ответственное за финансирование технологий с высоким уровнем риска и высокой отдачей, похоже, с этим согласно. Microsoft - одна из двух компаний, отобранных для участия в заключительном этапе программы DARPA "Малоизученные системы для квантовых вычислений общего назначения" (US2QC), целью которой является создание первого отказоустойчивого квантового компьютера с реальной коммерческой ценностью.
