Компания Microsoft анонсировала Majorana 1, которая, по утверждению компании, станет первым квантовым чипом с топологическими кубитами. Он имеет форму топологической сверхпроводящей нанопроволоки, на концах которой создаются фермионы Майораны, до сих пор существовавшие только на бумаге. Что это значит?
Короче говоря, если заявления компании верны, то мы имеем дело с открытием, которое может даже получить Нобелевскую премию и привести нас к созданию действительно полезного квантового компьютера. К сожалению, маркетинговый лоск и крупные крючки не позволяют подходить к этой теме без доли скептицизма.
Что на самом деле показала Microsoft
Давайте начнем с расшифровки всего того жаргона, который намеренно оставлен в первом предложении введения. К сожалению, это непросто, поскольку, с одной стороны, мы имеем дело с квантовой физикой, которую изначально непросто понять. А с другой – у нас есть материалы Microsoft, которые, кажется, намеренно слегка затемняют изображение, так что на первый взгляд не совсем понятно, что именно там показано.
Традиционные процессоры состоят из транзисторов – небольших переключателей, которые пропускают или блокируют ток и таким образом создают единицы и нули, или биты. С другой стороны, квантовые процессоры основаны на кубитах, которые могут быть равны нулю, единице или в некотором смысле и нулю, и единице. Особый интерес исследователей вызывает третий вариант, в котором кубит находится в суперпозиции квантовых состояний, т.е. представляет собой миниатюрную коробку для кота Шредингера.
Существует много способов создания кубитов, но все двухуровневые квантовые системы должны учитывать тот факт, что состояние суперпозиции по своей природе очень нестабильно, то есть оно подвержено влиянию окружающей среды.
Ситуацию можно улучшить, объединив физические кубиты в схемы, которые создают менее подверженные ошибкам логические кубиты, но такие логические кубиты больше и медленнее. А для создания эффективного квантового компьютера нам нужны быстрые и маленькие кубиты. Microsoft утверждает, что у нее есть рецепт создания такого быстрого, маленького и легко масштабируемого кубита.
Из чего состоит кубит
Microsoft утверждает, что ее кубит сделан из топологического сверхпроводника (Microsoft использует аббревиатуру topoconductor), т. е. нанопроволоки из подходящего материала. В данном случае двумерного слоя InAs, являющегося полупроводником, на который нанесен двумерный слой алюминия.
В результате, становящегося сверхпроводником, на концах которой после охлаждения почти до абсолютного нуля и воздействия на нее сильного магнитного поля возникают фермионы Майораны. Это частицы, до сих пор существовали только на бумаге как теоретически возможные, являющиеся одновременно и частицей, и античастицей. При встрече двух Майоранов они случайным образом либо аннигилируют друг с другом, либо ничего не происходит).
Носителем информации в этом кубите является четность электронов, т.е. информация о том, четное или нечетное их количество находится в сверхпроводнике. Это означает, что такая система теоретически гораздо менее восприимчива к помехам.
Ранее исследователи Microsoft заявляли, что создали майораны и имеют в своих лабораториях топологический сверхпроводник. А теперь они представили исследование, показывающее, что могут измерить эту квантовую систему. Это является важным шагом на пути к дальнейшему развитию этой технологии и потенциальному использованию ее для создания работающего и полезного квантового компьютера.
Прорыв Microsoft заключается в том, что исследователям удалось создать структуру, способную эффективно измерять кубит. Это делается путем отправки электрона «в путешествие» из квантовой точки, расположенной под сверхпроводником. В зависимости от того, четное или нечетное число электронов находится в сверхпроводнике, «измерительный» электрон возвращается в квантовую точку с разными «параметрами».
Если мы действительно имеем дело с топологическим сверхпроводником, т. е. с новой топологической фазой материи. В некотором смысле мы можем рассматривать ее как совершенно новое состояние материи. И с майоранами, т. е. с частицами, которые с 1937 года существовали только в расчетах математиков, то мы имеем здесь дело со значительной революцией в мире физики. Однако оптимизм несколько смягчается некоторыми уловками.
Исследования, завернутые в маркетинговое одеяло
Первый из них можно легко найти в исследовательском отчете ученых Microsoft. Сама по себе эта мера не позволяет однозначно различать MZM в топологической фазе и тонко настроенные низкоэнергетические трехсвязанные состояния в тривиальной фазе.
Другими словами, мы не можем быть уверены, что на самом деле имеем дело с майоранами и топологическим сверхпроводником. Стоит отметить, это может быть просто нечто, ведущее себя похожим образом, и необходимы дальнейшие исследования. История также охлаждает пыл, поскольку предыдущие исследования и заверения такого рода не выдерживали критики со стороны внешних наблюдателей. А некоторые публикации, в которых они обсуждались, были даже отозваны.
Во-вторых, маркетинговые материалы Microsoft, судя по всему, намекают на то, что мы имеем дело с мини-квантовым процессором. На практике Майорана 1 таковым не является. На этом чипе восемь кубитов. Скорее всего, потому, что Microsoft сосредоточена на масштабировании до миллиона кубитов. Поэтому, что на самом деле представляет собой Majorana 1 на данный момент, до конца неясно. И нет никаких указаний на то, что они каким-либо образом соединены. И это могло бы создать квантовые вентили, позволяющие выполнять какие-либо операции.
Исследователи Microsoft говорят, что у них есть план разработки и идея того, как соединить все это вместе в топологический квантовый компьютер. Однако возможность измерения кубита является важной вехой на этом пути. Вот только, до готового продукта – несмотря на красивые фотографии из лаборатории Microsoft – еще далеко.
Работа ученых Microsoft, несомненно, будет тщательно изучена многими исследователями, чтобы увидеть, какая часть ее является прорывом. А какая – просто уговорами инвесторов Microsoft, которым нравится слушать о квантовых компьютерах и искусственном интеллекте. В любом случае, нам все равно придется ждать появления полезного квантового компьютера. Ну, а пока, читая о дальнейших исследованиях по этой теме, можно поразиться тому, сколько еще невероятных тайн хранит наша Вселенная.
Читайте на тему: Большие изменения в Microsoft: Windows 12 уже разрабатывается
