Microsoft создала новый класс материалов — топопроводники
• Есть три основных типа материи: твердое тело, жидкость и газ — сегодня это изменилось, объявил CEO компании Сатья Наделла.
• Microsoft потратила 20 лет на исследования и создала новый класс материалов — топопроводники. Это фундаментальный прорыв в технике и физике одновременно.
• Топопроводники создают новое состояние материи — не твёрдое, жидкое или газообразное, а топологическое.
• Microsoft создала первый в истории человечества квантовый чип на топопроводниках. Уже есть рабочий чип на топопроводниках — Majorana.
• Топопроводники — это фундаментальное открытие, сравнимое с созданием полупроводников в XX веке.
• Сейчас Microsoft создаёт следующий чип размером с ладонь, который будет мощнее всех компьютеров на Земле вместе взятых.
• С топопроводниками на создание чипа уйдут не десятилетия, а всего лишь годы.
Majorana 1
Полная статья, нейроперевод:
Сегодня Microsoft представила Majorana 1 — первый в мире квантовый чип, основанный на новой архитектуре топологического ядра (Topological Core). Компания ожидает, что эта технология позволит создать квантовые компьютеры, способные решать значимые промышленные задачи в течение нескольких лет, а не десятилетий.
Он использует первый в мире топопроводник (topoconductor) — революционный тип материала, который позволяет наблюдать и управлять майорановскими частицами, создавая более надежные и масштабируемые кубиты — строительные блоки квантовых компьютеров.
Так же, как изобретение полупроводников сделало возможными современные смартфоны, компьютеры и электронику, топопроводники и новый тип чипов, который они позволяют создавать, открывают путь к разработке квантовых систем, способных масштабироваться до миллиона кубитов. Эти системы смогут решать самые сложные промышленные и социальные задачи, заявили в Microsoft.
«Мы сделали шаг назад и спросили себя: «Хорошо, давайте изобретем транзистор для квантовой эпохи. Какими свойствами он должен обладать?» — сказал Четан Наяк (Chetan Nayak), технический специалист Microsoft. — Так мы и пришли к этому решению: особенное сочетание, качество и важные детали нашей новой стековой архитектуры материалов позволили создать новый вид кубита и, в конечном итоге, всю нашу архитектуру».
Эта новая архитектура, использованная в разработке процессора Majorana 1, предлагает четкий путь к размещению миллиона кубитов на одном чипе, который помещается на ладони, заявили в Microsoft. Это необходимый порог для того, чтобы квантовые компьютеры могли предложить прорывные, реальные решения— например, разложение микропластика на безопасные побочные продукты или создание самовосстанавливающихся материалов для строительства, производства и медицины. Все современные компьютеры в мире, работая вместе, не смогут сделать того, на что будет способен квантовый компьютер с миллионом кубитов.
Majorana 1
«Что бы вы ни делали в сфере квантовых технологий, у вас должен быть путь к миллиону кубитов. Если его нет, вы упретесь в стену еще до того, как достигнете масштаба, необходимого для решения действительно важных задач», — сказал Наяк. «Мы действительно разработали путь к миллиону».
Топопроводник, или топологический сверхпроводник, — это особая категория материалов, способных создавать совершенно новое состояние материи — не твердое, жидкое или газообразное, а топологическое. Это свойство используется для создания более стабильных кубитов, которые быстры, малы и могут управляться цифровыми методами, без компромиссов, присущих текущим альтернативам.
Новая статья, опубликованная в среду в журнале Nature, описывает, как исследователи Microsoft смогли создать экзотические квантовые свойства топологического кубита и точно измерить их — что является важным шагом к практическому квантовому вычислению.
Четан Наяк, технический специалист Microsoft
Этот прорыв потребовал разработки принципиально новой стековой архитектуры материалов, состоящей из арсенида индия и алюминия. Microsoft разработала и создала большую часть этих материалов атом за атомом. Цель заключалась в том, чтобы вызвать к существованию новые квантовые частицы — майорановские фермионы — и использовать их уникальные свойства для достижения следующего рубежа в квантовых вычислениях, заявили в Microsoft.
Первое в мире топологическое ядро, лежащее в основе Majorana 1, изначально спроектировано так, чтобы быть устойчивым к ошибкам на уровне аппаратного обеспечения, что делает его более стабильным.
Коммерчески значимые приложения потребуют триллионы операций на миллионе кубитов, что практически невозможно при текущих подходах, основанных на точной аналоговой настройке каждого кубита. Новый метод измерений, разработанный командой Microsoft, позволяет управлять кубитами цифровым способом, кардинально меняя и упрощая саму концепцию квантовых вычислений.
Этот прогресс подтверждает правильность решения Microsoft, принятого несколько лет назад, — сделать ставку на топологический кубит, рискованный, но перспективный научно-инженерный проект, который теперь начал приносить плоды. На сегодняшний день компания уже разместила восемь топологических кубитов на чипе, который спроектирован с возможностью масштабирования до миллиона кубитов.
Маттиас Тройер, технический специалист Microsoft
«С самого начала мы хотели создать квантовый компьютер для коммерческого применения, а не просто ради научного лидерства», — сказал Маттиас Тройер (Matthias Troyer), технический специалист Microsoft. «Мы знали, что нам нужен новый кубит. Мы знали, что нам нужно масштабироваться».
Такой подход привел к тому, что Агентство передовых оборонных исследовательских проектов (DARPA) — федеральное агентство, инвестирующее в передовые технологии, важные для национальной безопасности — включило Microsoft в программу оценки перспективных квантовых технологий. Ее цель — выяснить, можно ли создать коммерчески значимые квантовые системы быстрее, чем считалось возможным.
На данный момент Microsoft — одна из двух компаний, приглашенных к участию в финальном этапе программы DARPA US2QC (Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing). Эта программа входит в инициативу DARPA по квантовому бенчмаркингу и направлена на создание первого в отрасли квантового компьютера с полезной вычислительной мощностью, который будет устойчив к ошибкам и обеспечит вычислительное преимущество, оправдывающее его стоимость.
«Он просто выдает ответ»
Помимо разработки собственного квантового оборудования, Microsoft сотрудничает с Quantinuum и Atom Computing для достижения научных и инженерных прорывов с использованием современных кубитов. В прошлом году это привело к созданию первого в индустрии надежного квантового компьютера.
Подобные машины открывают новые возможности для развития квантовых навыков, создания гибридных приложений и открытия новых научных горизонтов, особенно в сочетании с искусственным интеллектом. В Azure Quantum уже доступны интегрированные решения, позволяющие клиентам использовать передовые ИИ, высокопроизводительные вычисления и квантовые платформы в облаке Microsoft Azure для продвижения научных исследований.
Однако следующий прорыв в квантовых вычислениях потребует архитектуры, способной работать с миллионом кубитов и выполнять триллионы быстрых и надежных операций. Microsoft заявила, что сегодняшний анонс приближает этот рубеж к ближайшим годам, а не десятилетиям.
Благодаря использованию законов квантовой механики, такие машины смогут с невероятной точностью математически моделировать поведение природы — от химических реакций до молекулярных взаимодействий и энергии ферментов. Квантовые компьютеры с миллионом кубитов смогут решать задачи в химии, материаловедении и других отраслях, которые неподвластны даже самым мощным классическим компьютерам.
Например, квантовые компьютеры могли бы помочь решить сложную химическую задачу, связанную с тем, почему материалы подвергаются коррозии или растрескиванию. Это могло бы привести к созданию самовосстанавливающихся материалов, способных заживлять трещины в мостах или деталях самолетов, восстанавливать разбитые экраны смартфонов или поцарапанные автомобильные двери.
Из-за огромного разнообразия пластиков пока невозможно найти универсальный катализатор, который мог бы разлагать их все. Однако это критически важно для очистки микропластика и борьбы с углеродным загрязнением. Квантовые вычисления позволят рассчитать свойства таких катализаторов, чтобы разлагать загрязняющие вещества на полезные побочные продукты или разрабатывать нетоксичные альтернативы.
Ферменты — биологические катализаторы — можно было бы использовать более эффективно в медицине и сельском хозяйстве, поскольку точные расчеты их поведения возможны только с квантовыми вычислениями. Это может привести к прорывам, способствующим искоренению мирового голода: улучшению плодородия почвы для увеличения урожаев или созданию устойчивых сельхозкультур для выращивания в экстремальных климатических условиях.
«Просто создавайте все правильно с первого раза»
Самое главное — квантовые вычисления позволят инженерам, ученым и компаниям разрабатывать продукты без многолетних экспериментов и догадок. Их можно будет проектировать идеально с первого раза, что изменит подход ко всему — от медицины до производства товаров.
Квантовые компьютеры, в сочетании с ИИ, дадут возможность описывать новый материал или молекулу на обычном языке и сразу получать точный, работающий ответ.
«Любая компания, которая что-то производит, сможет проектировать это идеально с первого раза. Компьютер просто выдаст ответ», — сказал Тройер. «Квантовый компьютер научит ИИ «языку природы», и ИИ просто скажет вам, как создать нужный материал».
Переосмысление квантовых вычислений в масштабах
Квантовый мир подчиняется законам квантовой механики, которые отличны от привычных нам законов физики. Здесь информационные единицы — кубиты (квантовые биты), аналогичные классическим битам (0 и 1), используемым в современных компьютерах.
Но кубиты крайне нестабильны и чувствительны к любым возмущениям окружающей среды, из-за чего они быстро теряют информацию. Даже сам процесс измерения может изменить их состояние, что представляет серьезную проблему, поскольку измерение необходимо для вычислений. Главная сложность — разработать кубит, который можно измерять и контролировать, при этом защищая его от помех.
Существует несколько способов создания кубитов, у каждого есть свои плюсы и минусы. Почти 20 лет назад Microsoft выбрала уникальный путь — разработку топологических кубитов. Предполагалось, что они будут более стабильными и потребуют меньше коррекции ошибок, что обеспечит преимущества в скорости, размере и управляемости.
Этот путь оказался чрезвычайно сложным, требуя научных и инженерных прорывов в неизведанных областях. Но он также обещал наиболее перспективный способ создать масштабируемые и управляемые кубиты, которые способны решать коммерчески значимые задачи.
Недостаток заключался в том – или, скорее, заключался, – что до недавнего времени экзотические частицы, которые Microsoft стремилась использовать, никогда не наблюдались и не создавались. Майораны (Majoranas) не существуют в природе и могут быть искусственно вызваны только с помощью магнитных полей и сверхпроводников.
Сложность разработки правильных материалов, необходимых для создания экзотических частиц и их топологического состояния материи, объясняет, почему большинство квантовых исследований сосредоточено на других типах кубитов.
Однако статья, опубликованная в Nature, подтвердила в ходе рецензирования, что Microsoft не только смогла создать частицы Майораны, защищающие квантовую информацию от случайных возмущений, но и научилась надежно измерять информацию, используя микроволны.
Ключевое преимущество – новый метод измерений
Майораны скрывают квантовую информацию, делая её более устойчивой, но сложной для считывания. Однако новый метод измерений Microsoft настолько точен, что может различать разницу между одним миллиардом и одним миллиардом плюс один электрон в сверхпроводниковом проводе. Это позволяет компьютеру определять состояние кубита и, таким образом, осуществлять квантовые вычисления.
Измерения можно включать и выключать с помощью импульсов напряжения – подобно переключению света, а не тонкой настройки параметров для каждого отдельного кубита. Это значительно упрощает процесс квантовых вычислений и снижает физические требования к созданию масштабируемых квантовых машин.
Компактный квантовый чип
Топологический кубит Microsoft имеет ещё одно преимущество – его размер. Даже для настолько миниатюрных объектов есть "золотая середина":
слишком маленький кубит – сложно подключить к управляющей электронике,
слишком большой кубит – требует огромной вычислительной машины, объясняет Тройер.
Если использовать традиционные методы управления, то такой квантовый компьютер занял бы площадь авиационного ангара или футбольного поля.
Но чип Microsoft Majorana 1 содержит как сами кубиты, так и управляющую электронику, при этом он умещается в ладони. Его можно легко развернуть в квантовом компьютере и интегрировать в облачную инфраструктуру Azure.
«Одно дело – открыть новое состояние материи», – говорит Найяк. «Другое – использовать его, чтобы переосмыслить масштабируемые квантовые вычисления».
Квантовые материалы, созданные атом за атомом
В топологической архитектуре кубитов Microsoft используется алюминиевый нанопровод, соединенный в форму буквы "H". Каждая такая "H" содержит четыре управляемых майораны и формирует один кубит.
Эти "H" можно соединять и выстраивать по всей поверхности чипа, словно плитки.
«Это сложно в том смысле, что нам пришлось продемонстрировать новое состояние материи, но как только мы это сделали – все стало просто», – объясняет Криста Своре, технический эксперт Microsoft. «Эта архитектура позволяет намного быстрее масштабировать квантовые системы».
Криста Свор, технический сотрудник Microsoft
Квантовый чип — это часть экосистемы
Сам по себе квантовый чип не работает. Он функционирует в целой экосистеме, которая включает:
Логику управления,
Разбавленный холодильник, поддерживающий температуру намного ниже, чем в открытом космосе,
Программный стек, интегрируемый с искусственным интеллектом и классическими компьютерами.
Все эти компоненты Microsoft разработала или модифицировала самостоятельно, отмечает Своре.
Хотя ускоренный масштабный переход требует дальнейших инженерных доработок, Microsoft заявляет, что уже преодолела многие сложные научные и технические препятствия.
Материалы – ключевой вызов
Одной из главных сложностей была разработка уникальной структуры материалов, обеспечивающей топологическое состояние материи.
Вместо кремния в квантовом чипе Microsoft используется топопроводник (topoconductor) на основе арсенида индия. Этот материал применяется, например, в инфракрасных детекторах и обладает уникальными свойствами.
Сверхпроводимость достигается благодаря экстремально низким температурам, что создает гибридный полупроводник-сверхпроводник.
«Мы буквально напыляем атом за атомом», – объясняет Своре. «Эти материалы должны быть идеально выстроены. Если в их структуре окажется слишком много дефектов, кубит просто не будет работать».
Парадоксально, но именно для решения таких задач и нужен квантовый компьютер.
«Понимание этих материалов невероятно сложно», – говорит Своре. «Но когда мы создадим масштабируемый квантовый компьютер, он позволит предсказывать материалы с еще более совершенными свойствами – для построения следующего поколения квантовых машин».