Microsoft, представив новый квантовый процессор Majorana 1, очертила жизнеспособный путь к квантовому чипу на миллион кубитов. Давайте разбираться, является ли прорывом это новое состояние материи для квантовых вычислений.
Квантовые вычисления часто считали следующим рубежом в технологиях, обещающим решение проблем, которые превосходят возможности самых мощных современных суперкомпьютеров. Однако в течение многих лет исследователи сталкивались с проблемой — как построить машину, которая могла бы справиться с требовательной физикой кубитов, основных единиц информации в квантовых системах, не разрушаясь под воздействием шума, нестабильности и вызовов масштабирования.
Теперь Microsoft утверждает, что она наметила новый курс со своим чипом Majorana 1, инновацией, которую она называет архитектурой Topological Core. В отличие от обычных кубитов, изготовленных из известных полупроводников или сверхпроводящих материалов, Majorana 1 опирается на нечто совершенно новое: топопроводники. Эти материалы могут создать новое состояние материи — топологическое состояние, которое отличается от традиционного твердого тела, жидкости или газа.
Но почему это имеет значение? И, что важнее, почему это должно волновать кого-то, кроме квантовых физиков? Это связано с тем, что перспективы квантовых вычислений выходят за пределы научных лабораторий, касаясь всего, начиная от разработки самовосстанавливающихся материалов для строительства и заканчивая оптимизацией катализаторов, которые разлагают пластик на безвредные побочные продукты. Microsoft надеется, что с Majorana 1 мы увидим эти прорывы уже через «годы, а не десятилетия».
Другой взгляд на кубиты
В основе прогресса Microsoft лежит новый топопроводящий материал. Разработанный из арсенида индия (полупроводник) и алюминия (сверхпроводник), он «буквально распыляется атом за атомом», как описал один исследователь. Результатом является нетронутая среда, которая поддерживает неуловимые квантовые частицы, известные как фермионы Майораны.
Фермионы Майораны теоретически являются одним из самых надежных способов хранения квантовой информации. Благодаря своим экзотическим свойствам они помогают защитить данные от шума окружающей среды, сохраняя деликатные квантовые состояния нетронутыми. Традиционно кубиты невероятно чувствительны, подвержены процессу нарушения когерентности (которую называют декогеренцией), как только они начинают взаимодействовать с блуждающими электромагнитными сигналами, температурными колебаниями, или даже малейшими нарушениями. Эта хрупкость долгое время была препятствием для создания надежных квантовых компьютеров.
Но теперь Microsoft утверждает, что топологические кубиты на базе Majorana 1 содержат «устойчивость к ошибкам на аппаратном уровне», по сути вплетая стабильность в саму структуру кубита. Проще говоря, это может сделать квантовые машины гораздо более практичными и простыми для масштабирования.
«Мы сделали шаг назад и сказали: «Хорошо, давайте изобретем транзистор для квантовой эры». Какими свойствами он должен обладать?», — сказал Четан Наяк, технический сотрудник Microsoft. «И на самом деле, то, как мы сюда дошли — это особая комбинация, качество и важные детали в нашем новом наборе материалов, которые позволили создать новый тип кубитов и, в конце концов, всю нашу архитектуру».
Почему этот прорыв такой значительный
Квантовые вычисления могут революционизировать способ решения проблем, особенно связанных с огромными объемами данных или сложными взаимодействиями в химии, физике и материаловедении. Однако до сих пор оказалось сложно получить даже несколько сотен или несколько тысяч кубитов, которые могли бы надежно работать.
Одной из присущих проблем является то, что кубиты, как известно, склонны к ошибкам. Построение систем с исправлением ошибок обычно требует больших накладных расходов на дополнительные кубиты для стабилизации только нескольких «логических кубитов», которые выполняют вычисления.
Топологический подход направлен на снижение накладных расходов на исправление ошибок, делая каждый кубит внутренне более стабильным. Это значительный скачок в поисках создания машины, способной обрабатывать миллион кубитов. Это пороговое значение, которое, по мнению экспертов, необходимо для решения реальных проблем, таких как исследование новых фармацевтических препаратов, оптимизация сложных цепочек поставок или открытие самовосстанавливающихся материалов, которые могут устранять трещины в мостах, частях самолетов или даже царапины экранов телефонов.
Получив путь к миллиону кубитов в чипе, который помещается в вашей ладони, вы почувствуете себя как в царстве научной фантастики. Однако Microsoft считает, что этого масштаба можно достичь именно благодаря архитектуре Topological Core.
«Что бы вы ни делали в квантовом пространстве, должен быть путь к миллиону кубитов. Если этого не произойдет, вы столкнетесь со стеной, прежде чем достигнете того масштаба, который нужен для решения действительно важных проблем, которые нас мотивируют», — сказал Наяк. «Мы фактически продумали путь к миллиону».
Читайте текже: Обзор ноутбука ASUS Vivobook S 15 S5507 Copilot+ на базе Snapdragon X
Переосмысление контроля и измерения
Кубитам нужно не просто существовать в стабильном состоянии. Ученые также должны измерять их, чтобы получить полезные ответы. Традиционные подходы часто полагаются на аналоговую тонкую настройку каждого кубита, сложный, трудоемкий процесс, который становится неуправляемым по мере роста количества кубитов.
Корпорация Майкрософт обходит эту ловушку, внедряя «цифровой переключатель», чтобы соединить концы нанопровода (где живут майораны) с, так называемой, квантовой точкой. Эта точка сохраняет электрический заряд, который меняется в зависимости от количества присутствующих электронов, подобно определению разницы между «один миллиард» и «один миллиард и один». Эта разница в заряде показывает, находится ли кубит в четном или нечетном состоянии, что является фундаментальной частью данных для квантовых вычислений.
Важно то, что измерения можно включать или выключать с помощью импульсов напряжения, больше похожее на нажатие цифрового переключателя, чем на настройку чувствительных дисков. Это освобождает инженеров от калибровки каждого кубита отдельно, потенциально уменьшая сложность системы на порядки. И поскольку он стабилен на аппаратном уровне, процесс требует меньше дополнительных кубитов для исправления ошибок.
Тоже интересно: Обзор CleanMyMac — Удобно и красиво
Создать невозможное: новое состояние материи
Понятие топологического состояния материи, фазы материи, отличной от твердых тел, жидкостей или газов, может звучать как абстрактная квантовая механика. Но, на самом деле, является основой этого подхода. Создание топопроводников потребовало от Microsoft разработки совершенно нового типа материалов.
Топологическая архитектура кубитов Microsoft в форме крошечной буквы «H», изготовленной из алюминиевых нанопроводов, объединяет четыре контролируемые майораны, чтобы образовать единый кубит. Затем эти отдельные кубиты можно расположить на чипе, обеспечивая простой путь к масштабированию.
«Это сложно, поскольку нам нужно было показать новое состояние материи, чтобы попасть туда, но после этого все довольно просто. Это плитка. У вас гораздо более простая архитектура, которая обещает гораздо более быстрый путь к масштабированию», — сказала Криста Своре, другой технический сотрудник Microsoft.
Это новое состояние материи также является причиной того, что сами фермионы Майораны так неуловимы: природа не создает их спонтанно. Чтобы побудить их к существованию, нужны температуры, близкие к абсолютному нулю, тщательно выровненные магнитные поля и безупречный интерфейс между сверхпроводящим алюминием и полупроводящим арсенидом индия. Одно нарушение в структуре атомов, и кубит выходит из строя. Это удивительный прорыв материаловедения, указывающий на масштаб инженерных проблем, которые Microsoft пришлось преодолеть.
Также интересно: Обзор ремастера Star Wars Episode I: Jedi Power Battles — Вернитесь в детство… если осмелитесь
Путь к реальным решениям
Как и с любым смелым исследованием в квантовых вычислениях, для полной реализации результатов понадобятся годы. Однако Microsoft позиционирует Majorana 1 как недостающую часть головоломки, которая ускорит способность Quantum решать проблемы, формирующие отрасль. Агентство передовых оборонных исследовательских проектов (DARPA), ответственное за финансирование высокорисковых и дорогостоящих технологий, кажется, соглашается. Microsoft является одной из двух компаний, выбранных для финального этапа программы DARPA Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC), целью которой является создание первого отказоустойчивого квантового компьютера с реальной коммерческой ценностью.
Последствия огромны. Благодаря системе из миллиона кубитов ученые теоретически могут разгадать самые сложные химические загадки, объяснить, почему определенные материалы коррозируют или трескаются, или объяснить, как определенные ферменты действуют как катализаторы в сельском хозяйстве и здравоохранении.
Такие открытия могут привести к созданию инфраструктуры самовосстановления, более эффективных лекарств или универсального способа разложения пластика и борьбы с загрязнением микропластиком. В сочетании с достижениями в области искусственного интеллекта квантовые компьютеры могут превратить наши цели в «рецепты» новых материалов, возможно, устранив годы проб и ошибок в исследованиях и разработках.
«С самого начала мы хотели создать квантовый компьютер для коммерческого влияния, а не только для интеллектуального лидерства», — сказал технический сотрудник Microsoft Матиас Троер. «Мы знали, что нам нужен новый кубит. Мы знали, что нам нужно масштабировать».
Также интересно: Обзор плеера SNOWSKY ECHO MINI и наушников Wind — Для тех, кто скучает по плеерам из нулевых
Переломный момент для Quantum
Во многих отношениях борьба в сфере квантовых вычислений отзеркаливает первые дни полупроводниковой революции. Инженеры знали, что практические транзисторы изменят мир, но сначала им пришлось решить многочисленные материаловедческие и схемотехнические сложности.
Подобным образом топопроводники могут сделать для квантовых вычислений то, что когда-то сделали полупроводники для классических вычислений, и обеспечить стабильную, масштабируемую основу, необходимую для нового поколения вычислительной мощности.
Сам чип Majorana 1, разработанный для размещения миллиона кубитов и размером примерно с вашу ладонь, сигнализирует о том, что квантовая «миллионкубитная» эра может быть ближе, чем мы думаем. Конечно, реальные крупномасштабные квантовые машины все еще требуют лет разработки.
Холодильники для разбавления, цифровая логика управления, стек программного обеспечения и вся вычислительная экосистема должны идеально сочетаться. Однако топологический подход частично устранил самые большие научные препятствия в отношении того, «как поддерживать стабильность кубитов и надежно их измерять».
«Одно дело — открыть новое состояние материи», — сказал Наяк, «Другое дело — воспользоваться этим, чтобы переосмыслить квантовые вычисления в масштабе». Кажется, корпорация Майкрософт сделала и то, и другое, выведя квантовую технологию за пределы лабораторных стендов и продвинув ее к практическому воздействию. Поиски стабильных кубитов могут наконец уступить место эпохе, когда квантовое оборудование является более надежным, путь к миллиону кубитов намечен, а коммерческие приложения уже на пороге.
Если эта технология выполнит свои обещания, это станет не просто поворотным моментом для Microsoft. Это может означать смену парадигмы в том, как мы разрабатываем все: от передовых материалов и фармацевтических препаратов до сложных экологических решений. И именно поэтому Majorana 1 является таким важным делом.
