Компания Microsoft сделала значительный шаг вперёд в сфере квантовых вычислений, представив чип Majorana 1 с топологическими кубитами на основе фермионов Майораны. Эта технология обещает решить проблемы квантовых систем — нестабильность и высокий уровень ошибок — и приблизить эру доступных квантовых компьютеров.
Что такое Majorana 1
Чип Majorana 1 — это процессор для квантовых вычислений, разработанный для использования возможностей квантовой механики.
Напомним, что обычные компьютеры работают с битами — элементарными единицами информации. Каждый бит может принимать одно из двух значений: 0 или 1. Всё, что делает компьютер — от отображения текста на экране до выполнения сложных вычислений, — основано на комбинациях нулей и единиц. Биты реализуются с помощью транзисторов — электронных переключателей, которые могут быть включены (1) или выключены (0). Миллиарды таких транзисторов работают вместе, чтобы выполнять вычисления и обрабатывать данные.
Обычные компьютеры мощные, но они работают последовательно: выполняют одну задачу за другой. Это ограничивает их возможности при решении сложных проблем, таких как моделирование молекулярных структур или оптимизация масштабных систем.
Квантовые компьютеры используют кубиты — квантовые биты, которые принимают значения 0, 1 или оба одновременно. Это явление называется суперпозицией и позволяет таким устройствам выполнять множество вычислений одновременно.
Кубиты используют законы квантовой механики и вместо транзисторов могут быть реализованы с помощью физических систем, таких как:
-
сверхпроводящие кубиты (применяются IBM и Google) — работают на основе электрических токов в сверхпроводящих цепях;
-
ионные кубиты (используются IonQ) — на основе ионов, которые удерживаются в электромагнитных ловушках;
-
фотонные кубиты — используют частицы света (фотоны).
Квантовые биты взаимодействуют друг с другом, даже если находятся на большом расстоянии. Изменение состояния одного кубита моментально сказывается на состоянии другого.
Но кубиты очень восприимчивы к внешним факторам. Это связано с явлением декогеренции — потерей квантового состояния из-за влияния окружающей среды. Даже незначительные колебания температуры или воздействия слабых электромагнитных полей способны привести к ошибкам в работе квантовых систем.
В чипе Majorana 1 эта проблема решена с помощью майорановских фермионов — частиц, которые более устойчивы к внешним помехам.
Что такое майорановские фермионы
Фермионы Майораны — неуловимые квазичастицы частицы, которые были впервые теоретически описаны физиком Этторе Майораной в 1937 году.
В физике элементарных частиц большинство фермионов (протоны, нейтроны, электроны) описываются теорией Дирака, которая утверждает, что у каждой частицы существует своя античастица. Однако теория Майораны предлагает иной подход: некоторые нейтральные фермионы могут существовать в особых самосопряжённых состояниях, то есть быть своими собственными античастицами. При столкновении двух таких фермионов Майораны они аннигилируют, не оставляя после себя никаких следов.
Физики нашли доказательства существования майорановских квазичастиц в сверхпроводниках. Они называются майорановскими нулевыми модами (MZM) — локализованными квантовыми состояниями с теми же свойствами, что и фермионы Майораны.
MZ-структуры появляются на концах специальных сверхпроводящих нанопроводов. В этих местах они образуют топологически защищённые состояния, которые устойчивы к внешним помехам.
В квантовых вычислениях майорановские фермионы используются для создания топологических кубитов. Эти кубиты кодируют информацию не в отдельных частицах, а в коллективных состояниях.
Если вы поняли всё, что написано в этой главе, то вы очень редкий и очень умный человек.
Как работает Majorana 1
Архитектура чипа основана на алюминиевых нанопроводах, соединённых в форме буквы «Н». В одной такой конструкции находится четыре частицы Майораны — это один кубит, а всего в чипе их восемь. Цель Microsoft — масштабировать технологию и разместить миллион кубитов на чипе размером с ладонь для решения сложнейших вычислительных задач.
В гибридных нанопроводах электроны и«дырки» (отсутствие электронов) взаимодействуют особым образом, создавая условия для появления майорановских состояний. На концах нанопроводов образуются нулевые моды Майораны.
Квантовая информация кодируется в парах нулевых мод. Это означает, что она не хранится в одной частице, а распределена между двумя майорановскими квазичастицами. Такое распределение делает информацию менее уязвимой к локальным помехам (колебаниям температуры или электромагнитным полям).
Если одна из частиц подвергается воздействию, информация сохраняется благодаря второй частице — такое свойство называется топологической защитой.
Для выполнения квантовых вычислений нужно изменять состояния кубитов. В чипе Majorana 1 это делается с помощью операции плетения (braiding). Плетение — это перемещение нулевых мод Майораны в пространстве. Когда две такие моды меняются местами, их квантовые состояния изменяются. Таким образом, плетение позволяет манипулировать кубитами и выполнять вычисления на квантовом уровне.
Операции плетения устойчивы к ошибкам, так как они зависят только от топологических свойств системы, а не от точного положения частиц.
После завершения вычислений необходимо прочитать результат. Для этого применяют специальные методы измерения, которые определяют состояние нулевых мод. Так как информация кодируется в паре частиц, а не в одной, процесс чтения также менее подвержен ошибкам.
Почему это революционно?
Majorana 1 решает одну из главных проблем квантовых вычислений — избавляет от декогеренции. Используя топологическую защиту и устойчивость майорановских квазичастиц, этот чип открывает путь к созданию устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров. Такие устройства смогут справляться с задачами, которые остаются недоступными для традиционных вычислительных систем.
В чём сложность?
Одна из самых больших трудностей при использовании фермионов Майораны — создание и стабилизация нулевых мод в контролируемой среде. Условия, необходимые для появления MZM, очень сложны:
-
Сверхнизкие температуры. Majorana 1 работает при температурах, близких к абсолютному нулю (около -273 °C) с использованием криогенных систем. Это нужно для подавления тепловых шумов, которые могут нарушить квантовые состояния.
-
Точная разработка материалов. Топологические свойства, необходимые для MZM, требуют высокоспециализированных гибридных материалов из сверхпроводников и полупроводников. Их очень сложно изготовить.
-
Операции плетения без ошибок. Кубиты Майораны теоретически устойчивы. Однако достижение идеальных операций плетения на практике остаётся экспериментальной задачей.
Эксперимент Microsoft
В феврале 2025 года компания Microsoft представила промежуточные итоги своих исследований в журнале Nature. Учёные использовали нанопровод из арсенида индия и алюминия, чтобы получить майорановские квазичастицы и изучить их стабильность.
В обычном сверхпроводнике электроны образуют пары, но в ходе исследования специалистам удалось создать одиночный электрон с необычным поведением. Он одновременно находился на обоих концах нанопровода. Когда два таких провода соединили, электрон перешёл в состояние суперпозиции, то есть присутствовал в обоих проводниках одновременно. Это феномен подтверждает, что майорановские квазичастицы могут стать основой для создания стабильных кубитов.
Долгосрочное видение Microsoft в области квантовых вычислений
Стратегия Microsoft в области квантовых вычислений отличается от стратегий других крупных игроков в этой сфере. Такие компании, как IBM, Google и Rigetti сосредоточены на сверхпроводящих кубитах. Однако Microsoft придерживается долгосрочного подхода и вкладывает значительные средства в топологические вычисления. Конечная цель — разработать полностью отказоустойчивый квантовый компьютер, который будет легко интегрироваться с Azure Quantum (облачной платформой для квантовых вычислений).
План развития включает в себя:
-
Доказательство работоспособности крупномасштабных массивов кубитов Майораны: демонстрация того, что кубиты на основе Майораны могут надёжно функционировать в более крупных квантовых схемах.
-
Создание масштабируемого оборудования: переход от экспериментальных прототипов к практическим квантовым процессорам.
-
Интеграция квантовых вычислений с Azure: предоставление возможностей квантовых вычислений с помощью Azure Quantum. Это позволит решать сложные задачи в области криптографии, материаловедения и искусственного интеллекта.
Microsoft ожидает, что квантовый компьютер на топологических кубитах сможет достичь уровня, необходимого для решения сложных коммерческих задач, которые недоступны для обычных устройств. Например, задач в области химии и материаловедения. При этом сам компьютер будет компактным и сможет поместиться в шкафу.
Отказоустойчивый квантовый компьютер получит преимущество над классическим, когда сможет выполнять миллионы надёжных квантовых операций в секунду (rQOPS). Это новый отраслевой показатель, отражающий способность решать реальные задачи. Такой компьютер должен допускать не более одной ошибки на триллион операций. Существующие квантовые устройства имеют нулевое значение rQOPS, поскольку их кубиты ненадёжны, подвержены шумам и чувствительны к внешним условиям.
Заключение
Majorana 1 находится на экспериментальной стадии. Если Microsoft сможет преодолеть проблемы, связанные с проверкой, стабильностью и масштабируемостью, это откроет новую эру отказоустойчивых квантовых вычислений. Такие компьютеры смогут решать задачи, которые сегодня недоступны даже самым мощным классическим системам — от моделирования сложных молекул до оптимизации глобальных систем и создания новых материалов.
Автор: Hanamime
