Majorana 1 от Microsoft: в чем революция?
В феврале 2025 года компания Microsoft произвела фурор, представив Majorana 1 — первый в мире квантовый чип, построенный на инновационной архитектуре Topological Core. Эта разработка знаменует собой важный шаг в стремлении создать масштабируемые и устойчивые квантовые вычислительные системы, способные решать задачи, недоступные современным классическим компьютерам.
Несмотря на то, что Majorana 1 изначально содержит всего 8 кубитов, архитектура Topological Core даёт Microsoft возможность в будущем масштабировать устройство до миллиона кубитов, разместив их на одном чипе размером с ладонь. Такой потенциал масштабирования обещает открыть новые возможности для решения сложнейших задач в науке и промышленности.
Кубит (квантовый бит) представляет собой основную единицу информации в квантовых вычислениях, аналогичную обычному биту в классических компьютерах, но обладающую уникальными квантовыми свойствами – он может быть либо 0, либо 1, либо в состоянии, в котором он одновременно и 0, и 1 (в суперпозиции). Это означает, что квантовый компьютер может обрабатывать сразу несколько состояний, что делает его мощнее классического. Кроме того, два кубита могут быть запутаны – их состояния становятся зависимыми друг от друга – это свойство позволяет квантовым компьютерам мгновенно передавать информацию и делать сложные вычисления быстрее.
Одним из центральных элементов архитектуры Majorana 1 является использование нового класса материалов — топопроводников. Эти материалы позволяют создавать и контролировать частицы Майораны, гипотетические фермионы, которые являются своей собственной античастицей.
Фермионы — это частицы, из которых состоит материя. К ним относятся электроны, протоны, нейтроны и другие. В обычной физике у каждой частицы есть противоположная частица, т.е. античастица (например, у электрона есть позитрон, у протона – антипротон, у нейтрона – антинейтрон), античастицы еще называют антиматерией. Мы знаем, античастицы существуют исходя из теоретических выводов ученых, наблюдений за космическими лучами и в опытах в CERN. Во Вселенной почти нет свободных античастиц, потому что они аннигилировали с материей.
Есть несколько способов реализации кубитов, необходимых для квантовых вычислений:
• сверхпроводниковые кубиты (IBM, Google, Rigetti) – искусственные атомы в сверхпроводящих контурах;
• ионные ловушки (IonQ, Honeywell) – кубиты в виде одиночных атомов, удерживаемых лазерами;
• фотонные кубиты (PsiQuantum, Xanadu) – квантовые состояния фотонов в оптических системах;
• майорановские кубиты (Microsoft) – используются фермионы Майораны в топологических сверхпроводниках.
Научная новизна в том, что Microsoft создали архитектуру из материала, который способен при возбуждении сформировать фермион Майораны, и это можно использовать в качестве кубита. Ну и также новизна в новом способе измерения и тестирования. Материал «топологический сверхпроводник», обладающий повышенной устойчивостью к ошибкам, состоит он из InAs-Al – арсенид индия – алюминия, а управляется электрическими и магнитными полями. Также революцией может быть то, что эта архитектура потенциально более легко масштабируемая, чем архитектура других квантовых компьютеров и позволит на одно чипе разместить до 1 миллиона кубит.
Использование топологических сверхпроводников позволяет снизить уровень декогеренции (утраты квантового состояния) и уменьшить влияние внешних шумов. Это означает, что даже при относительно малом числе кубитов система может демонстрировать высокую точность и скорость выполнения квантовых операций.
Сравнение с другими квантовыми процессорами
В настоящее время существуют квантовые компьютеры с большим количеством кубитов, например:
· IBM Condor (декабрь 2023 г.) — 1121 кубит,
· IBM Osprey (2022 г.) — 433 кубита,
· D-Wave Advantage 2 — более 1200 кубитов (но с использованием технологии квантового отжига).
Однако количество кубитов — не единственный критерий эффективности квантового процессора, как мы видим. Важны также качество кубитов, время когерентности (способность сохранять свое квантовое состояние, при воздействии внешней среды), уровень ошибок и возможность масштабирования. В этом контексте Majorana 1 делает ставку на качество: топологические кубиты, благодаря своей устойчивости к шумам, могут обеспечить более практичное применение квантовых вычислений, даже если их изначальное число меньше.
Разработка квантового чипа Majorana 1 длилась почти два десятилетия и проводилась внутри компании Microsoft. Среди источников финансирования значительную роль сыграло Агентство передовых исследовательских проектов в области обороны США (DARPA), которое включило Microsoft в программу US2QC (Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing). Основные исследования и технологические испытания проводились в лабораториях Microsoft в штатах Вашингтон и Дания, где решались задачи создания новых материалов и управления субатомными частицами.
Несмотря на впечатляющие заявленные возможности, некоторые рецензенты статьи выражают сомнения по поводу существования реальных фермионов Майораны в устройстве (хотя со стороны некоторых СМИ этот факт будут это избыточно раздувать):
«Точная связь с Майораной все еще не вполне определена. Тем не менее, это самая высокая планка, достигнутая до сих пор в плане проверки физики Майораны, и, как утверждают авторы, накладывает сильные ограничения на альтернативные объяснения».
«Их наблюдение согласуется с гипотезой, что два конечных состояния на участке являются нулевыми модами Майораны, но это не является окончательным доказательством».
Один из четырех рецензентов также отметил, что, если бы наблюдаемые состояния были истинно Майорановскими нулевыми модами (MZMs), они должны были быть более устойчивыми к изменениям экспериментальных параметров. Небольшие изменения в эксперименте приводили к значительным флуктуациям энергии.
Квантовый чип Majorana 1 от Microsoft представляет собой значительный прорыв в области квантовых вычислений, демонстрируя потенциал использования топологических кубитов для создания устойчивых и масштабируемых квантовых систем. Несмотря на то, что в устройстве используется всего 8 кубитов, его архитектура обещает возможность масштабирования до миллиона, что может кардинально изменить подходы к решению сложнейших научных и промышленных задач.