● В основе квантового компьютера находится квантовый чип, использующий кубиты для квантовых вычислений.
● В обычных компьютерах единица измерения бит, который принимает значение только 0 или 1.
● В квантовом же компьютере единица измерения кубит, в основу которого заложены принципы квантовой механики, а именно квантовая суперпозиция и квантовая запутанность.
● Квантовая суперпозиция означает, что кубит может иметь значение 0 или 1 только при конечном результате, а во время вычислений его значение определяется вероятностью возникновения 0 или 1. Иными словами кубит может находится в нескольких состояниях одновременно, что в разы ускоряет вычисления.
● Квантовая запутанность говорит нам о том, что при взаимодействии множества кубитов их значения становятся связанными, что позволяет создать сложные взаимосвязи, которые невозможны для обычных компьютеров.
Что изобрели в Microsoft?
Majorana 1
19 Февраля 2025 года Microsoft представила Majorana 1 - первый в мире квантовый чип на базе новой топологической архитектуры ядра.
Топопроводник - это новый вид материалов, который позволяет управлять майорановскими нулевыми модами и создавать стабильные вычисления с кубитами для дальнейшего решения самых сложных промышленных и социальных проблем.
А что на счет Amazon?
Ocelot
В след за Microsoft, 27 Февраля 2025 года Amazon презентовала собственный прототип квантового чипа Ocelot, разработанный для тестирования эффективности архитектуры квантовой коррекции ошибок AWS.
Немного о чипе Ocelot:
1. Чип состоит из двух интегрированных кремниевых микросхем. Площадь каждого чипа составляет примерно 1 см в квадрате. Чипы соединены друг с другом в электрически соединенный пакет микросхем.
2. На поверхности каждого кремниевого микрочипа расположены тонкие слои сверхпроводящих материалов, которые образуют элементы квантовой схемы.
3. AWS использовала новый дизайн архитектуры Ocelot, создав систему исправления ошибок с нуля и используя кубит cat.
4. Кубиты cat хранят квантовые состояния, используемые для вычислений. Для этого они используют компоненты, называемые генераторами, которые генерируют повторяющийся электрический сигнал с постоянной синхронизацией.
5. Чип Ocelot состоит из 14 основных компонентов: пяти кубитов данных (кубитов cat), пяти "буферных схем" для стабилизации кубитов данных и четырех дополнительных кубитов для обнаружения ошибок в кубитах данных.
6. Высококачественные генераторы Ocelot изготовлены из тонкой пленки сверхпроводящего материала под названием тантал.
7. Новый квантовый вычислительный чип может снизить затраты на внедрение квантовой коррекции ошибок до 90% по сравнению с существующими подходами.
8. Квантовый микрочип может быть масштабируемо изготовлен с использованием процессов, заимствованных из индустрии микроэлектроники.
9. В будущем квантовые чипы, построенные в соответствии с архитектурой Ocelot, могут стоить всего в пять раз дешевле, чем существующие из-за резкого сокращения количества затрат, необходимых для исправления ошибок.
10. Сроки создания практичного квантового компьютера могут сократиться на срок до пяти лет.
P.S. Надеемся, что в будущем внедрение и активное использование квантовых компьютеров в промышленных масштабах (а возможно и в виде ПК) позволит быстрее осуществлять новые открытия и решать сложные задачи, на которые сейчас уходят десятилетия.
Представьте, что вам нужно собрать гигантский пазл из миллиарда деталей. Обычный компьютер — это человек, который терпеливо подбирает кусочки один за другим. Суперкомпьютер — это группа людей, которые делают то же самое, но быстрее. А квантовый компьютер? Это магический шаман, который кидает кусочки в воздух, хлопает в ладоши, и они складываются сами! Ну, почти так это работает.
Что же такое квантовый компьютер?
В отличие от обычных компьютеров, которые работают с битами (нули и единицы, как простые вкл/выкл), квантовые компьютеры используют кубиты — штуки, которые могут быть и нулём, и единицей одновременно. Представьте себе человека, который одновременно и спит, и работает, и жарит картошку. Если бы люди могли так делать, никто бы не опаздывал на работу!
Кубиты живут в состоянии суперпозиции — это значит, что они могут находиться в нескольких состояниях одновременно. Как если бы вы смотрели сразу все серии «Игры престолов» за одно мгновение (и даже не страдали из-за последнего сезона).
Кроме того, кубиты связаны друг с другом квантовой запутанностью. Это как если бы у вас был друг, который чувствует, когда вы грустите, даже если вы находитесь на разных континентах. Ударили один кубит в Калифорнии — другой кубит на Марсе тут же заплакал.
Почему это так круто?
Классические компьютеры решают задачи последовательно, шаг за шагом. Квантовые же могут рассматривать все возможные решения одновременно. Время, которое обычный суперкомпьютер потратит на расчёт, равное возрасту Вселенной, квантовый компьютер пережуёт за пару секунд. Представьте, если бы вам не нужно было ждать ответа от техподдержки три дня, а всё решалось мгновенно! Ну, вот примерно так.
Где их можно применять? (Кроме как для покорения мира)
Расшифровка паролей. Если вы думаете, что ваш пароль «qwerty123» в безопасности, у меня для вас плохие новости. Квантовый компьютер взломает его быстрее, чем вы успеете сказать «ой».
Создание лекарств. Эти штуки могут моделировать сложные молекулы, позволяя разрабатывать новые лекарства быстрее, чем врач успеет выписать вам непонятный рецепт.
Предсказание погоды. Представьте, если бы прогноз погоды был точен не только в день написания, но и на неделю вперёд. Звучит как фантастика? Квантовый компьютер может это изменить!
Искусственный интеллект. Он ускорит обучение нейросетей, и в итоге чат-боты перестанут отвечать вам «Извините, я вас не понял».
Финансовые расчёты. Банки смогут предсказывать экономические кризисы заранее! Хотя, зная банки, они всё равно найдут способ удивиться.
Проблемы и ограничения
Но не всё так радужно. Квантовые компьютеры крайне капризны. Кубиты настолько чувствительны, что их может испортить буквально всё: температура, шум, космические лучи, плохое настроение инженера… Они требуют охлаждения почти до абсолютного нуля, а если что-то пойдёт не так — квантовая магия исчезает, и вы остаётесь с дорогущей коробкой, не способной даже мемы загрузить.
Когда их ждать в каждом доме?
Учёные пока спорят: либо через 10 лет, либо никогда. Google, IBM и другие корпорации работают над этим, но пока квантовые компьютеры громоздки, дороги и ненадёжны. Однако если их доведут до ума, мы окажемся в новой эре технологий… или в мире, где ИИ окончательно решит, что человечество ему не нужно. 😅
А пока можете спать спокойно — ваш старенький ноутбук не устарел. Ну, разве что он всё ещё грузит браузер по три минуты...
Пока небольшой комментарий к новостям про то, что Майкрософт создали какой-то супер-пупер квантовый компьютер. Спойлер алерт: это все обман, чтобы набрать классы.
Но по порядку. Квантовые компьютеры делают из разных кубитов: некоторые используют сверхпроводящие микросхемы (как IBM и Google), некоторые — ионы (IonQ например), некоторые — фотоны (Xanadu). Ну и есть много других вариантов. Самая большая проблема с квантовыми компьютерами в том, что квантовая запутанность в них очень легко разрушается минимальным внешним воздействием. Поэтому эти комьютеры стараются изолировать от внешнего мира как можно лучше: засовывают в супер-криостаты, используют лучшие материалы и т.д.
Среди этих подходов выделяется один: топологические квантовые компьютеры. Точную работу описать довольно сложно, но попробую такую аналогию. Представьте, что у вас есть железная дорога типа Brio и вы можете катать по ней туда-сюда вагончики. А еще можете пересекать пути, делать мосты и т.д. Общая структура вашей дороги (как именно они пересекаются, сколько пересечений и между какими путям и т.д.) является ее топологией. В этих пересечениях реализуются вентили компьютера (т.е. логические операции). Так вот, внешний мир действует на вагончики: они то тормозят, то ускоряются, то вибрируют, то вообще пропадают. В обычном квантовом компьютере это является основной проблемой: квантовые состояния (вагончики) разрушаются, появляются ошибки. Но в топологическом квантовом компьютере операции зависят не от одиночных вагончиков, а от общей структуры путей, а она остается постоянной и не подвержена влиянию внешнего мира (почти). Потенциально это очень мощный инструмент для реализации квантовых компьютеров, так как ему не страшен внешний мир.
На практике никто не знает, как именно это сделать. Вагончики должны быть очень специальными, чтобы реализовать такой компьютер. Это должны быть квазичастицы, которые называются анионы и обладают очень необычными свойствами. Они существуют в определенных двумерных материалах в определенных условиях (возможно). Майорановские фермионы, о которых вы слышали в новостях про Майкрософт — пример таких частиц.
Ура, введение готово, пора перейти к драме. Пока IBM и Google соревнуются за количество кубитов и пытаются как-то найти способ увеличить их до полезной величины, Microsoft пошли другим путем и пытаются создать топологический квантовый компьютер. Если у них это получится, они обойдут всех на повороте и унесутся за горизонт. Но пока попытки, мягко говоря, не внушают доверия.
Из года в год они публикуют результаты про открытие и изучение этих самых Майорановских фермионов в самых престижных журналах. Из года в год в этих результатах находят ошибки, неверную статистику и прямой подлог и статьи отзываются (таких статей уже набралось не одна и не две, можно вот тут эпичный тред посмотреть). Т.к. это майкрософт, публиковать данные они отказываются (NDA и все такое) и верифицировать никак не получается. Но на каждой статье они собирают хайп, лайки и инвестиции — что еще нужно. Вот и нынешние "новости" — ровно из той же оперы. Те же авторы, один из рецензентов — главный автор прошлых отозванных статей, те же проблемы с данными и их доступностью, и т.д. Нет никаких оснований доверять этому. В целом, научное комьюнити давно уже крутит пальцем у виска, и главной загадкой остается вопрос, почему их вообще продолжают публиковать (хотя это и не загадка никакая, всем все понятно, кто за этим стоит).
В общем, не верьте хайпу! Я нарочно не даю ссылки на новости или статью, чтобы не разгонять этот хайп дальше. В целом, любые новости про квантовые компьютеры всегда можно делить на 10-100, но в особенности когда говорят про "прорыв, которого еще никогда не было". Это уж почти наверняка какая-то лажа.
Возможно, вы уже слышали, что Майкрасофт сделал эпохальное открытие, сравнимое с открытием транзисторов и началом новой технологической революции.
Давайте попробуем разобраться - что произошло и какие у этого всего перспективы.
Майкрасофт изобрели топопроводник
Это новый тип материала, который создаёт новое состояние материи, отличное от твердого, жидкого, газообразного или плазмы, а именно состояние, при котором можно наблюдать и управлять особыми частицами, называемыми майорановскими фермионами.
Майорановские фермионы уникальны тем, что могут быть одновременно и частицей, и античастицей. Эти квазичастицы возникают только парами. Если один фермион появляется в одном месте, то его “пара” появится где-то еще, возможно очень далеко. И если что-то происходит с одним, это влияет на другого. Такие частицы помогают создавать более стабильные и управляемые кубиты — основные элементы квантовых компьютеров.
Так вот, в топопроводниках создаются условия, при которых электроны ведут себя как майорановские фермионы. Они будут использоваться, в первую очередь, для квантовых вычислений, поскольку могут "прятать" квантовую информацию, делая её устойчивой к помехам и всевозможным нестабильностям. Эти топологические кубиты теперь можно контролировать цифровым способом - простым включением и выключением напряжения.
По сути, человечество близко к тому, чтобы программировать саму материю. Представьте себе как нейросеть будущего генерирует и запускает программу по производству армии киборгов из атомов кислорода. Шутка:)
В общем, квантовые компьютеры на основе этого нового состояния материи могут привести к революционным прорывам в квантовой физике, химии и ряда других наук, позволяя решать очень сложные задачи, которые сейчас недоступны обычным компьютерам.
Вот несколько отраслей, где планируют применить эти компьютеры:
Разработка самовосстанавливающихся материалов
Создание новых материалов с заданными свойствами
Борьба с углеродным загрязнением
Моделирование работы ферментов для медицины
Повышение плодородия почв
Вычислительная мощность одного чипа с миллионом кубитов будет в миллиарды раз превышать все мощности всех компьютеров на планете, а такой чип сможет поместится у вас на ладони.
Представьте, что может сделать такая технология, оказавшись не в тех руках. Какую угрозу планете, а то и всей вселенной принесёт этот человек?
Компания Microsoft представила миру новый квантовый чип Majorana 1 (Майорана 1), который использует новый тип материала, известного как топопроводник.
Majorana 1 является значительным достижением в области квантовых вычислений, поскольку использует топологические кубиты, которые, как полагают, менее подвержены декогеренции по сравнению с традиционными кубитами (наименьшая единица информации в квантовом компьютере, аналог бита в обычном компьютере).
Microsoft утверждает, что этот прорыв может позволить разработать практический квантовый суперкомпьютер в течение нескольких лет, а не десятилетий.
Всё это только звучит сложно. Сейчас вкратце объясню, что это такое.
Топопроводник (topoconductor) — термин, введённый компанией Microsoft в 2025 году для обозначения нового класса материалов, применяемых в топологических квантовых вычислениях. Это гибридные материалы, создаваемые путем соединения арсенида индия и алюминия при сверхнизких температурах.
В ходе такого синтеза сплаве возникает особое состояние материи - не твердое, не жидкое, не газообразное, не плазма, а иное, отличное от известных ранее агрегатных состояний вещества, которое решено было назвать топологическим.
Во всяком случае Microsoft утверждает, что топопроводники представляют собой принципиально новое состояние материи, отличное от обычных проводников, диэлектриков и сверхпроводников.
Топологические материалы способствуют созданию и стабилизации майорановских нулевых мод (Майорановских фермионов), которые служат основой для топологических кубитов.
Майорановскими фермионами или фермионом Майораны в физике элементарных частиц именуется фермион, который является своей собственной античастицей.
Существование таких частиц было впервые рассмотрено итальянским физиком Этторе Майораной в 1937 году.
В экспериментах с полупроводниковыми нанопроволоками наблюдались квазичастицы, обладающие свойствами майорановского фермиона.
До сегодняшнего момента майорановские частицы были лишь теоретическим предсказанием, но по утверждению Microsoft им удалось не только получить эту частицу в реальности, но и научиться управлять ею в прикладном смысле.
Архитектура процессора Majorana 1 построена на основе алюминиевых нанопроводов, соединенных в форме буквы "H". Каждая такая структура содержит четыре управляемые частицы Майораны и образует один кубит.
Эти H-образные элементы можно соединять между собой и размещать на чипе как плитки.
На данный момент на чипе размещено 8 топологических кубитов.
Это может показаться скромным числом, но важно понимать: главное достижение здесь - доказательство работоспособности концепции.
Архитектура Majorana 1 спроектирована так, что позволяет разместить миллион кубитов на чипе размером с ладонь. Это не просто амбициозная цель - это необходимый порог для решения практически значимых задач.
По словам технического специалиста Microsoft Четана Найяка:
"Что бы вы ни делали в квантовой области, вам нужен путь к миллиону кубитов. Если его нет, вы упретесь в стену до того, как достигнете масштаба, необходимого для решения действительно важных задач".
Квантовый компьютер с миллионом стабильных кубитов сможет решать задачи, недоступные современным классическим компьютерам и супер-компьютерам.
Например, расчет генетических моделей для генетически модифицированных организмов или моделирование работы ферментов для медицины и сельского хозяйства.
Только и всего) Видите как всё просто и понятно, а вы переживали 🙂
⚡️ Революция в мире чипов: Microsoft представили квантовый процессор Majorana 1. Он создан на основе материала, который раньше даже не существовал.
Чтобы его разработать, инженерам пришлось не просто улучшить технологии, а буквально изобрести новое состояние материи.
По порядку:
До недавнего времени в учебниках по физике было всего четыре состояния материи: твердое, жидкое, газообразное и плазма. Теперь появилось пятое — топологическое, и его открытие заняло у Microsoft 17 лет исследований.
Топопроводники, материалы нового класса, позволяют создавать компактные, стабильным и сверхбыстрые квантовые процессоры. В основе Majorana 1 — принципиально новые кубиты, которые меньше, надежнее и эффективнее традиционных.
Почему это важно?
Majorana 1 — это шаг к квантовому компьютеру с миллионом кубитов, способному решать задачи, которые традиционные машины никогда не потянут. Он будет мощнее всех современных компьютеров вместе взятых, но при этом поместится на ладони.
Квантовые процессоры не просто ускорят вычисления. Они:
— Позволят разрабатывать персонализированные лекарства за секунды.
— Выведут ИИ на новый уровень, сделав его способным мгновенно анализировать и прогнозировать будущее сложные события.
— Сделают нынешние пароли и банковские шифры бесполезными, заставив перейти на новую систему защиты данных.
Если прогнозы Microsoft оправдаются, эпоха классических вычислений подходит к концу.
Компания Microsoft объявила о прорыве в области квантовых вычислений, представив первый в мире квантовый процессор (QPU) Majorana 1, созданный с использованием революционного класса материалов — топопроводников. Этот чип способен масштабироваться до миллиона кубитов на одном кристалле и открывает путь к созданию практичных квантовых компьютеров.
Основой процессора стали топологические кубиты, защищенные на аппаратном уровне, что значительно упрощает квантовую коррекцию ошибок. Microsoft также анонсировала дорожную карту по созданию масштабируемого квантового компьютера, включая прототип с топологическими кубитами, который планируется разработать в рамках программы DARPA US2QC.
Этот шаг знаменует переход от научных исследований к технологическим инновациям, приближая эру квантовых вычислений, способных решать сложнейшие задачи в науке, медицине и материаловедении.
А если вы не знаете, как работает квантовый компьютер – посмотрите видео.
• 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».
