Microsoft выпустила первый в мире квантовый процессор: как работает и для чего он нужен

Что такое топологический квантовый процессор?

Для начала стоит разобрать, что такое топологические кубиты. Взять в пример самый обычный компьютер, который есть почти у каждого дома, его процессор состоит из транзисторов, которые могут находиться в двух состояниях: включено (1) и выключено (0). Двоичную систему исчисления используют в компьютерной обработке информации, а с топологическими кубитами немного сложнее. 

Это особый вид квантовых битов, которые применяют в квантовых компьютерах. Это означает, что в любой момент времени они могут принимать значения 1 и 0 одновременно. Такой эффект позволяет квантовым компьютерам мгновенно получать результаты, обрабатывая все возможные комбинации состояний одновременно.

Топологические кубиты основаны на концепции топологической квантовой теории поля и используют квазичастицы, известные как фермионы Майораны. Частицы Майораны возникают благодаря уникальному состоянию материи, которое не похоже на твердое, жидкое или газообразное, а называется топологическим. Чип Majorana 1 и основан на новом типе материала — топопроводнике, который представляет собой гибридное соединение арсенида индия и алюминия при сверхнизких температурах.

Создание топопроводника требовало невероятной точности при работе с материалами. Инженеры Microsoft размещали атомы один за другим, стремясь к идеальному расположению — малейший дефект мог сделать кубит нерабочим. Система измерений настолько точна, что способна заметить разницу между миллиардом и миллиардом с одним электроном в сверхпроводнике. Это позволяет считывать состояние кубита и является основой для квантовых вычислений.

Интересно, что итальянский физик Этторе Майораной предсказывал существование фермионов Майораны в 1937 году. Эти частицы до этого момента существовали только теоретически, впервые эмпирическим путем получилось не только создать их, но и управлять ими для нужд человека.

Почему создание и управление частицей Майораной так важно и нужно? Все дело в том, что они «скрывают» квантовую информацию благодаря своим необычным свойствам. Они защищают данные от помех окружающей среды, сохраняя хрупкие квантовые состояния в неприкосновенности. Традиционные кубиты очень чувствительны и склонны к взаимодействию квантовой системы с окружающей средой, при котором квантовое состояние системы неконтролируемо изменяется, когда они вступают в контакт с посторонними электромагнитными сигналами, колебаниями температуры или даже малейшими помехами. Это делает создание надёжных квантовых компьютеров сложной задачей. Однако частицы Майораны обладают устойчивостью к ошибкам и обеспечивают стабильность структуры кубита, что может сделать квантовые машины более практичными и простыми в увеличении мощности системы.

Как устроен Majorana 1

Процессор Majorana 1  устроен несложно, но это только на первый взгляд. В основе архитектуры чипа лежат алюминиевые нанопровода, которые соединены в форме буквы «H». В одной такой конструкции размещено четыре частицы Майораны — это и есть один кубит. Всего в процессоре их восемь, однако специалисты Microsoft строят грандиозные планы на свое открытие. Архитектура устройства Majorana 1 позволяет расположить миллион кубитов на чипе размером с ладонь, к этому целенаправленно идут в компании, такое устройство — необходимая ступень для решения важных практических задач.

«Нам необходимо проложить работу к миллиону кубитов. В противном случае мы упремся в стену, прежде чем достигнем масштабов, позволяющих решать важные задачи, и практически проложили путь к миллиону кубитов», — прокомментировал технический сотрудник Microsoft Четан Наяк.

Задачи, которые может решить процессор с миллионом стабильных кубитов, пока не под силу современным компьютерам. Однако уже есть интересные идеи, как использовать эту технологию в ближайшем будущем. 

Например, в области материаловедения можно исследовать процессы коррозии и растрескивания материалов, разработать самовосстанавливающиеся материалы для мостов, самолетов и экранов телефонов, а также создать новые материалы с уникальными свойствами, ранее не известными.

В сфере экологии такой процессор будет способствовать уменьшению углеродного следа. Он сможет разработать катализаторы для разложения различных видов пластика и предложить эффективные способы их утилизации.

Также такие мощные вычислительные средства будут полезны в биотехнологиях. Например, их можно будет использовать для моделирования работы ферментов, которые важны для медицины и сельского хозяйства. Также они помогут повысить плодородие почв и разработать сельскохозяйственные культуры, устойчивые к изменениям климата. 

Компания Microsoft стремится создать функциональный квантовый компьютер к концу текущего десятилетия. Открытие и успешное использование фермионов Майораны, которые являются основой процессора Majorana 1, можно сравнить с изобретением транзистора для обычных компьютеров. Транзисторы сделали возможным появление смартфонов и персональных компьютеров, а топопроводники станут основой для дальнейшего развития квантовых технологий в будущем.