05 Марта 2025
Что такое топологический квантовый процессор?В основе Majorana 1 лежит принципиально новый тип материала - топопроводник (topoconductor). Это гибридный материал, созданный путем соединения арсенида индия и алюминия при сверхнизких температурах. В нем возникает особое состояние материи - не твердое, не жидкое и не газообразное, а топологическое.
В этом состоянии становится возможным появление частиц Майораны - экзотических квантовых частиц, существование которых было предсказано итальянским физиком Этторе Майораной еще в 1937 году. До сих пор эти частицы существовали только в теории, и Microsoft первой удалось не только создать их, но и научиться управлять ими.
Почему это важно?
Главная проблема современных квантовых компьютеров - нестабильность кубитов. Квантовая информация очень хрупка и легко разрушается из-за любых помех из окружающей среды. Частицы Майораны обладают уникальным свойством: они могут "прятать" квантовую информацию, делая её устойчивой к помехам.
Кроме того, топологические кубиты Microsoft можно контролировать цифровым способом - простым включением и выключением напряжения, как обычный выключатель света. Это гораздо проще, чем тонкая аналоговая настройка, требуемая для других типов кубитов.
Как устроен Majorana 1?
Архитектура процессора 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. Microsoft удалось:
Создать необходимый материал с нужными свойствами
Получить и измерить частицы Майораны
Использовать их для создания работающих кубитов
Разработать архитектуру, которая может масштабироваться
Путь к миллиону кубитов
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".
Практическое применение
Квантовый компьютер с миллионом стабильных кубитов сможет решать задачи, недоступные современным классическим компьютерам. Вот некоторые потенциальные применения:
Материаловедение:
Изучение процессов коррозии и растрескивания материалов
Разработка самовосстанавливающихся материалов для мостов, самолетов, экранов телефонов
Создание новых материалов с заданными свойствами
Экология:
Разработка катализаторов для разложения различных типов пластика
Создание эффективных методов переработки микропластика
Борьба с углеродным загрязнением
Биотехнологии:
Моделирование работы ферментов для медицины и сельского хозяйства
Повышение плодородия почв
Создание устойчивых к климатическим изменениям сельскохозяйственных культур
Технические детали
Разработка топопроводника потребовала беспрецедентной точности в создании материалов. Инженеры Microsoft наносили атомы буквально один за другим, добиваясь идеального выравнивания - любые дефекты в структуре материала могли сделать кубит нерабочим.
Измерительная система настолько точна, что может определить разницу между миллиардом и миллиардом плюс один электронов в сверхпроводящем проводе. Это позволяет считывать состояние кубита и формирует основу для квантовых вычислений.
Заключение
Публикация в журнале Nature подтверждает, что Microsoft не только создала частицы Майораны, но и научилась надежно измерять квантовую информацию с их помощью. Компания утверждает, что их подход позволит создать практически применимые квантовые компьютеры за годы, а не десятилетия.
Это достижение можно сравнить с изобретением транзистора для классических компьютеров. Как транзисторы сделали возможным создание современных смартфонов и компьютеров, так топопроводники могут стать основой для масштабируемых квантовых систем будущего.