Компания Microsoft представила Majorana 1, первый в мире топологический квантовый процессор, прокладывающий путь к квантовым компьютерам с миллионом кубитов. Изготовленный из нового типа материала, известного как «топологический проводник», процессор производит высокостабильные кубиты, которыми можно управлять в цифровом виде. Этот прорыв представляет собой важную веху на пути к созданию пригодных для использования квантовых компьютеров — цель, которая, по мнению компании, может быть достигнута быстрее, чем ожидалось, возможно, через несколько лет, а не через несколько десятилетий.
Квантовые компьютеры могут произвести революцию в самых разных областях благодаря своей способности работать в соответствии с принципами квантовой механики. В то время как обычные биты существуют в виде 0 или 1 (двоичный код), квантовые биты (кубиты) могут существовать в состоянии суперпозиции. Это позволит значительно превзойти вычислительные возможности обычных компьютеров.
Возможные области применения — от химии до медицины и фармацевтической промышленности, а также материаловедение, финансы, криптография и многое другое. Вычислительные мощности квантовых компьютеров позволят, например, математически моделировать поведение ферментов и микроорганизмов с беспрецедентной точностью. Это позволит более эффективно использовать их в таких областях, как сельское хозяйство, например, улучшая удобрительную способность микробиома почвы или повышая ее устойчивость к засухе.
Квантовые вычисления также позволят быстро разрабатывать самовосстанавливающиеся материалы, пластики, которые легко разлагаются в природе без токсичных побочных продуктов, многоцелевые лекарства и так далее. В общем, это ускорит вычислительные процессы, на которые у обычных компьютеров ушли бы годы. Эксперты также считают, что сочетание с инструментами искусственного интеллекта может еще больше повысить точность и вычислительную мощность.
«Любая компания, которая что-то производит, может с самого начала спроектировать это идеально. Он [квантовый компьютер] просто даст вам ответ», — пишет в своем блоге Маттиас Тройер, технический эксперт Microsoft. «Квантовый компьютер учит ИИ „языку природы“, поэтому он может просто дать вам рецепт того, что вы хотите сделать».
Путь к коммерчески жизнеспособным квантовым компьютерам
Однако для выполнения этих вычислений квантовым компьютерам необходима архитектура, способная поддерживать не менее миллиона кубитов, чтобы они могли быстро выполнять триллионы операций. Однако кубиты по своей природе нестабильны и очень чувствительны к шумам окружающей среды. Их квантовое состояние также может быть изменено в результате измерений, не говоря уже о том, что их уязвимость к ошибкам возрастает пропорционально количеству поддерживаемых кубитов.
Тройер и его коллеги предлагают новый подход к созданию кубитов, которые можно измерять и контролировать, но при этом они достаточно стабильны и не требуют исправления ошибок. Они называются топологическими кубитами и обладают значительным преимуществом в скорости, размере и управляемости.
«Все, что вы делаете в квантовой области, должно иметь путь к миллиону кубитов. В противном случае вы натолкнетесь на стену, прежде чем достигнете масштаба, при котором сможете решать действительно важные проблемы», — объясняет Четан Наяк, также являющийся техническим сотрудником Microsoft. «На самом деле мы нашли путь к миллиону кубитов», — говорит он. Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале .
Материал, способный создавать новое состояние материи
По мнению исследователей, топологические кубиты — это наиболее перспективный путь к масштабируемым кубитам, которые достаточно управляемы, чтобы обеспечить коммерчески выгодную вычислительную мощность. Для этого необходимы топологические квантовые процессоры (или топологические сверхпроводники), тип материала, способный создавать новое состояние материи, и экзотические квантовые частицы, называемые «майоранами». Считается, что майорановские кубиты могут скрывать квантовую информацию, что делает их более надежными, но и более сложными для измерения.
Однако одна из главных трудностей заключается в том, что майорановские частицы никогда ранее не наблюдались и не создавались. Они не существуют в природе и могут быть созданы только с помощью точных магнитных полей и сверхпроводников.
«Одно дело — открыть новое состояние материи, совсем другое — воспользоваться им, чтобы переосмыслить квантовые вычисления в широком масштабе», — объясняет Наяк. Сложность разработки нужных материалов для их существования и использования их топологического состояния является одной из причин, по которой большинство исследований сосредоточено на разработке других типов кубитов.
Процессор Microsoft Majorana 1, изготовленный из арсенида индия и алюминия, разработан специально для поддержки одноименных кубитов. Большинство компонентов были разработаны и собраны атом за атомом. Топологическая архитектура процессора состоит из алюминиевых нанопроводов, соединенных вместе и образующих H-образные структуры.
Каждый H имеет 4 управляемые майорановские частицы и образует кубит. Эти Н-образные структуры можно соединять и располагать на чипе как плитки. По словам команды, процессор позволит интегрировать миллион майорановских кубитов в единую инфраструктуру.
Чтобы обойти трудности измерения, присущие майорановским частицам, исследователи разработали систему, которая позволяет включать и выключать измерения с помощью импульсов напряжения, подобно переключателю. Такой подход позволяет управлять кубитами в цифровом виде и проводить сверхточные измерения.
Кроме того, процессор оснащен набором вспомогательных устройств для стабильной работы. В их число входит разбавляющий охладитель, который поддерживает температуру кубитов ниже, чем в межзвездном пространстве. Также процессор имеет набор управляющего программного обеспечения, которое может быть интегрировано с ИИ и обычными компьютерами.
Однако для доработки процессов и интеграции процессора в крупномасштабные инфраструктуры потребуется еще несколько лет работы, говорят исследователи. Тем не менее, компания считает, что этот прорыв может привести к появлению коммерчески жизнеспособных квантовых компьютеров быстрее, чем считалось ранее. Microsoft также участвует в программе Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) по оценке достижений и перспектив в области квантовых вычислений.
Читайте все последние новости технологии на New-Science.ru