Microsoft, презентувавши новий квантовий процесор Majorana 1, окреслила життєздатний шлях до квантового чипа на мільйон кубітів. Давайте розбиратись, чи є проривом цей новий стан матерії для квантових обчислень.

Квантові обчислення часто вважали наступним рубежем у технологіях, що обіцяє вирішення проблем, які перевершують можливості найпотужніших сучасних суперкомп’ютерів. Проте протягом багатьох років дослідники стикалися з проблемою – як побудувати машину, яка б могла впоратися з вимогливою фізикою кубітів, основних одиниць інформації в квантових системах, не руйнуючись під впливом шуму, нестабільності та викликів масштабування.

Тепер Microsoft стверджує, що вона окреслила новий курс зі своїм чипом Majorana 1, інновацією, яку вона називає архітектурою Topological Core. На відміну від звичайних кубітів, виготовлених з відомих напівпровідників або надпровідних матеріалів, Majorana 1 спирається на щось абсолютно нове: топопровідники. Ці матеріали можуть створити новий стан матерії – топологічний стан, який відрізняється від традиційного твердого тіла, рідини чи газу.

Але чому це має значення? І, що важливіше, чому це має хвилювати когось, крім квантових фізиків? Це пов’язано з тим, що перспективи квантових обчислень виходять за межі наукових лабораторій, торкаючись усього, починаючи від розробки самовідновлювальних матеріалів для будівництва і закінчуючи оптимізацією каталізаторів, які розкладають пластик на нешкідливі побічні продукти. Microsoft сподівається, що з Majorana 1 ми побачимо ці прориви вже за “роки, а не десятиліття”.

Також цікаво: Про квантові комп’ютери простими словами

Інший погляд на кубіти

В основі прогресу Microsoft лежить новий топопровідний матеріал. Розроблений з арсеніду індію (напівпровідник) і алюмінію (надпровідник), він “буквально розпорошується атом за атомом”, як описав один дослідник. Результатом є незаймане середовище, яке підтримує невловимі квантові частинки, відомі як ферміони Майорани.

Ферміони Майорани теоретично є одним із найнадійніших способів зберігання квантової інформації. Завдяки своїм екзотичним властивостям вони допомагають захистити дані від шуму навколишнього середовища, зберігаючи делікатні квантові стани недоторканими. Традиційно кубіти неймовірно чутливі, схильні до процесу порушення когерентності (яку називають декогеренцією), як тільки вони починають взаємодіяти з блукаючими електромагнітними сигналами, температурними коливаннями, або навіть найменшими порушеннями. Ця крихкість довгий час була перешкодою для створення надійних квантових комп’ютерів.

Але тепер Microsoft стверджує, що топологічні кубіти на базі Majorana 1 містять “стійкість до помилок на апаратному рівні”, по суті вплітаючи стабільність у саму структуру кубіта. Просто кажучи, це може зробити квантові машини набагато практичнішими та простішими для масштабування.

“Ми зробили крок назад і сказали: “Добре, давайте винайдемо транзистор для квантової ери”. Які властивості він повинен мати?”, — сказав Четан Наяк, технічний співробітник Microsoft. “І насправді, те, як ми сюди дійшли — це особлива комбінація, якість і важливі деталі в нашому новому наборі матеріалів, які дозволили створити новий тип кубітів і, зрештою, всю нашу архітектуру”.

Теж цікаво: Що таке DeepSeek і чому всі про нього говорять

Чому цей прорив такий значний

Квантові обчислення можуть революціонізувати спосіб вирішення проблем, особливо пов’язаних із величезними обсягами даних або складними взаємодіями у хімії, фізиці та матеріалознавстві. Проте й досі виявилося складно отримати навіть кілька сотень або кілька тисяч кубітів, які могли б надійно працювати. 

Однією з властивих проблем є те, що кубіти, як відомо, схильні до помилок. Побудова систем з виправленням помилок зазвичай потребує великих накладних витрат на додаткові кубіти для стабілізації лише кількох “логічних кубітів”, які виконують обчислення.

Топологічний підхід спрямований на зменшення накладних витрат на виправлення помилок, роблячи кожен кубіт внутрішньо стабільнішим. Це значний стрибок у пошуках створення машини, здатної обробляти мільйон кубітів. Це порогове значення, яке, на думку експертів, є необхідним для вирішення реальних проблем, таких як дослідження нових фармацевтичних препаратів, оптимізація складних ланцюжків поставок або відкриття самовідновлюваних матеріалів, що можуть усувати тріщини в мостах, частинах літаків або навіть подряпини екранів телефонів.

Отримавши шлях до мільйона кубітів у чипі, який поміщається у вашій долоні, ви відчуєте себе як у царстві наукової фантастики. Проте Microsoft вважає, що цього масштабу можна досягти саме завдяки архітектурі Topological Core. 

“Що б ви не робили у квантовому просторі, повинен бути шлях до мільйона кубітів. Якщо цього не станеться, ви зіткнетеся зі стіною, перш ніж досягнете того масштабу, який потрібен для вирішення справді важливих проблем, які нас мотивують”, — сказав Наяк. “Ми фактично продумали шлях до мільйона”.

Читайте також:

• Нові технології – як вони полегшують подорожі?
• Тектонічні зрушення в сфері AI: Microsoft робить ставку на DeepSeek?

Переосмислення контролю та вимірювання

Кубітам потрібно не просто існувати в стабільному стані. Вчені також повинні вимірювати їх, щоб отримати корисні відповіді. Традиційні підходи часто покладаються на аналогове тонке налаштування кожного кубіта, складний, трудомісткий процес, який стає некерованим у міру зростання кількості кубітів.

Корпорація Майкрософт обходить цю пастку, впроваджуючи “цифровий перемикач”, щоб з’єднати кінці нанодроту (де живуть Майорани) з, так званою, квантовою точкою. Ця точка зберігає електричний заряд, який змінюється залежно від кількості присутніх електронів, подібно до визначення різниці між “один мільярд” і “один мільярд і один”. Ця різниця в заряді показує, чи знаходиться кубіт у парному чи непарному стані, що є фундаментальною частиною даних для квантових обчислень.

Важливо те, що вимірювання можна вмикати або вимикати за допомогою імпульсів напруги, більше схоже на натискання цифрового перемикача, ніж на налаштування чутливих дисків. Це звільняє інженерів від калібрування кожного кубіта окремо, потенційно зменшуючи складність системи на порядки. І оскільки він стабільний на апаратному рівні, процес потребує менше додаткових кубітів для виправлення помилок.

Теж цікаво: Режими енергозбереження у Windows 11: Який вибрати?

Створити неможливе: новий стан матерії

Поняття топологічного стану матерії, фази матерії, відмінної від твердих тіл, рідин або газів, може звучати як абстрактна квантова механіка. Але, насправді, є основою цього підходу. Створення топопровідників вимагало від Microsoft розробки абсолютно нового типу матеріалів.

Топологічна архітектура кубітів Microsoft у формі крихітної букви “H”, виготовленої з алюмінієвих нанодротів, об’єднує чотири контрольовані майорани, щоб утворити єдиний кубіт. Потім ці окремі кубіти можна розташувати на чипі, забезпечуючи простий шлях до масштабування.

“Це складно, оскільки нам потрібно було показати новий стан матерії, щоб потрапити туди, але після цього все досить просто. Це плитка. У вас набагато простіша архітектура, яка обіцяє набагато швидший шлях до масштабування”, – сказала Кріста Своре, інший технічний співробітник Microsoft.

Цей новий стан матерії також є причиною того, що самі ферміони Майорани такі невловимі: природа не створює їх спонтанно. Щоб спонукати їх до існування, потрібні температури, близькі до абсолютного нуля, ретельно вирівняні магнітні поля та бездоганний інтерфейс між надпровідним алюмінієм і напівпровідним арсенідом індію. Одне порушення в структурі атомів, і кубіт виходить з ладу. Це дивовижний прорив матеріалознавства, що вказує на масштаб інженерних проблем, які Microsoft довелося подолати.

Також цікаво: Всесвіт: Найнезвичайніші космічні об’єкти

Шлях до реальних рішень

Як і з будь-яким сміливим дослідженням у квантових обчисленнях, для повної реалізації результатів знадобляться роки. Однак Microsoft позиціонує Majorana 1 як відсутню частину головоломки, яка прискорить здатність Quantum вирішувати проблеми, що формують галузь. Агентство передових оборонних дослідницьких проектів (DARPA), відповідальне за фінансування високоризикових і високовартісних технологій, здається, погоджується. Microsoft є однією з двох компаній, обраних для фінального етапу програми DARPA Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC), метою якої є створення першого відмовостійкого квантового комп’ютера з реальною комерційною цінністю.

Наслідки величезні. Завдяки системі з мільйона кубітів вчені теоретично можуть розгадати найскладніші хімічні загадки, пояснити, чому певні матеріали корозують або тріскаються, або пояснити, як певні ферменти діють як каталізатори в сільському господарстві та охороні здоров’я. 

Такі відкриття можуть призвести до створення інфраструктури самовідновлення, більш ефективних ліків або універсального способу розкладання пластику та боротьби із забрудненням мікропластиком. У поєднанні з досягненнями в галузі штучного інтелекту квантові комп’ютери можуть перетворити наші цілі на “рецепти” нових матеріалів, можливо, усунувши роки проб і помилок у дослідженнях і розробках.

“З самого початку ми хотіли створити квантовий комп’ютер для комерційного впливу, а не лише для інтелектуального лідерства”, — сказав технічний співробітник Microsoft Матіас Троєр. “Ми знали, що нам потрібен новий кубіт. Ми знали, що нам потрібно масштабувати”.

Також цікаво: Тераформування Марса: чи може Червона планета перетворитися на нову Землю?

Переломний момент для Quantum

У багатьох відношеннях боротьба у сфері квантових обчислень віддзеркалює перші дні напівпровідникової революції. Інженери знали, що практичні транзистори змінять світ, але спочатку їм довелося розв’язати численні матеріалознавчі та схемотехнічні складності. 

Подібним чином топопровідники можуть зробити для квантових обчислень те, що колись зробили напівпровідники для класичних обчислень, і забезпечити стабільну, масштабовану основу, необхідну для нового покоління обчислювальної потужності.

Сам чип Majorana 1, розроблений для розміщення мільйона кубітів і розміром приблизно з вашу долоню, сигналізує про те, що квантова “мільйонкубітна” ера може бути ближчою, ніж ми думаємо. Звичайно, реальні великомасштабні квантові машини все ще потребують років розробки. 

Холодильники для розбавлення, цифрова логіка керування, стек програмного забезпечення та вся обчислювальна екосистема мають поєднуватися бездоганно. Однак топологічний підхід частково усунув найбільші наукові перешкоди щодо того, “як підтримувати стабільність кубітів і надійно їх вимірювати”.

“Одна справа — відкрити новий стан матерії”, — сказав Наяк, “Інша справа — скористатися цим, щоб переосмислити квантові обчислення в масштабі”. Здається, корпорація Майкрософт зробила і те, і інше, вивівши квантову технологію за межі лабораторних стендів і просунувши її до практичного впливу. Пошуки стабільних кубітів можуть нарешті поступитися місцем епосі, коли квантове обладнання є більш надійним, шлях до мільйона кубітів намічений, а комерційні програми вже на порозі.

Якщо ця технологія виконає свої обіцянки, це стане не просто поворотним моментом для Microsoft. Це може означати зміну парадигми в тому, як ми розробляємо все: від передових матеріалів і фармацевтичних препаратів до складних екологічних рішень. І саме тому Majorana 1 є такою важливою справою.

Також цікаво: 

• Як Тайвань, Китай і США борються за технологічне домінування: велика війна чипів
• Транзистори майбутнього: На нас чекає нова ера чипів