Чип Majorana 1 от Microsoft

Microsoft представила Majorana 1 — первый в мире квантовый чип с архитектурой топологического ядра, который открывает путь к созданию масштабируемых квантовых компьютеров. В основе технологии лежит новый материал — топопроводник, позволяющий создавать более устойчивые и управляемые кубиты. Это достижение может ускорить развитие квантовых вычислений, сделав возможными решения сложных промышленных и научных задач в ближайшие годы.

Сегодня компания Microsoft представила Majorana 1 — первый в мире квантовый чип на базе новой архитектуры топологического ядра, который, как ожидается, позволит создать квантовые компьютеры, способные решать значимые задачи промышленного масштаба за годы, а не за десятилетия.

В нем используется первый в мире топопроводник — революционный тип материала, который позволяет наблюдать и контролировать майорановские частицы для создания более надежных и масштабируемых кубитов, которые являются строительными блоками для квантовых компьютеров.

По словам представителей Microsoft, так же, как изобретение полупроводников сделало возможным появление современных смартфонов, компьютеров и электроники, топопроводники и новый тип микросхем, созданных на их основе, открывают путь к разработке квантовых систем, которые могут масштабироваться до миллиона кубитов и способны решать самые сложные промышленные и общественные проблемы.

«Мы отступили на шаг и сказали: «Хорошо, давайте изобретем транзистор для квантовой эпохи. Какими свойствами он должен обладать?» — сказал Четан Наяк, технический сотрудник Microsoft. «И вот как мы действительно сюда попали — это особое сочетание, качество и важные детали в нашем новом стеке материалов, которые позволили создать новый тип кубита и, в конечном счете, всю нашу архитектуру».

Эта новая архитектура, использованная для разработки процессора Majorana 1, предлагает четкий путь для размещения миллиона кубитов на одном чипе, который может поместиться на ладони, заявила Microsoft. Это необходимый порог для квантовых компьютеров, чтобы предоставлять преобразующие, реальные решения — такие как разложение микропластика на безвредные побочные продукты или изобретение самовосстанавливающихся материалов для строительства, производства или здравоохранения. Все нынешние компьютеры мира, работающие вместе, не могут сделать то, что сможет сделать квантовый компьютер на один миллион кубитов. 

«Что бы вы ни делали в квантовом пространстве, у вас должен быть путь к миллиону кубитов. Если его нет, вы упретесь в стену, прежде чем достигнете масштаба, в котором сможете решать действительно важные проблемы, которые нас мотивируют», — сказал Наяк. «Мы фактически 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 состояние. Это используется для создания более стабильного кубита, который является быстрым, маленьким и может управляться цифровым способом, без компромиссов, требуемых текущими альтернативами. В новой статье, опубликованной в среду в Nature, описывается, как исследователи Microsoft смогли создать экзотические квантовые свойства топологического кубита, а также точно измерить их, что является важным шагом для практических вычислений.

Этот прорыв потребовал разработки совершенно нового набора материалов из арсенида индия и алюминия, большую часть которых Microsoft спроектировала и изготовила атом за атомом. Цель состояла в том, чтобы вызвать к жизни новые квантовые частицы, называемые майоранами, и воспользоваться их уникальными свойствами, чтобы достичь следующего горизонта квантовых вычислений, заявила Microsoft.  

Первое в мире топологическое ядро, на котором работает Majorana 1, надежно по своей конструкции и обеспечивает устойчивость к ошибкам на аппаратном уровне, что делает его более стабильным.

Коммерчески важные приложения также потребуют триллионы операций на миллионе кубитов, что было бы непомерно при нынешних подходах, которые полагаются на тонко настроенный аналоговый контроль каждого кубита. Новый подход к измерениям команды Microsoft позволяет контролировать кубиты в цифровом виде, переопределяя и значительно упрощая работу квантовых вычислений.

Этот прогресс подтверждает выбор Microsoft, сделанный несколько лет назад, в пользу разработки топологического кубита — высокорискованной, но высокодоходной научной и инженерной задачи, которая теперь окупается. Сегодня компания разместила восемь топологических кубитов на чипе, рассчитанном на масштабирование до миллиона.

«С самого начала мы хотели создать квантовый компьютер для коммерческого воздействия, а не просто для лидерства в области мысли», — сказал Маттиас Тройер, технический сотрудник Microsoft. «Мы знали, что нам нужен новый кубит. Мы знали, что нам нужно масштабироваться».

Такой подход побудил Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA), федеральное агентство, инвестирующее в прорывные технологии, имеющие важное значение для национальной безопасности, включить Microsoft в строгую программу по оценке того, могут ли инновационные технологии квантовых вычислений создавать коммерчески значимые квантовые системы быстрее, чем это традиционно считалось возможным.  

Теперь Microsoft стала одной из двух компаний, приглашенных для перехода к заключительной фазе программы DARPA «Недоизученные системы для квантовых вычислений коммунального масштаба» (US2QC) — одной из программ, входящих в более масштабную инициативу DARPA по сравнительному анализу квантовых вычислений , — целью которой является создание первого в отрасли отказоустойчивого квантового компьютера коммунального масштаба, вычислительная ценность которого превышает его стоимость. 

«Это просто дает вам ответ»

Помимо создания собственного квантового оборудования, Microsoft сотрудничает с Quantinuum и Atom Computing для достижения научных и инженерных прорывов с использованием современных кубитов, включая анонс в прошлом году первого в отрасли надежного квантового компьютера .

Эти типы машин предлагают важные возможности для развития квантовых навыков , создания гибридных приложений и стимулирования новых открытий, особенно по мере того, как ИИ сочетается с новыми квантовыми системами, которые будут работать на большем количестве надежных кубитов. Сегодня Azure Quantum предлагает набор интегрированных решений , позволяющих клиентам использовать эти ведущие платформы ИИ, высокопроизводительных вычислений и квантовых вычислений в Azure для продвижения научных открытий.

Но достижение следующего горизонта квантовых вычислений потребует квантовой архитектуры, которая может обеспечить миллион кубитов или больше и достичь триллионов быстрых и надежных операций. Сегодняшнее объявление относит этот горизонт в годы, а не десятилетия, заявила Microsoft.

Поскольку машины с миллионами кубитов могут использовать квантовую механику для математического отображения поведения природы с невероятной точностью — от химических реакций до молекулярных взаимодействий и энергии ферментов — они должны быть способны решать определенные типы задач в химии, материаловедении и других отраслях, которые невозможно точно рассчитать с помощью современных классических компьютеров.

Например, они могли бы помочь решить сложный химический вопрос о том, почему материалы подвергаются коррозии или трещинам. Это могло бы привести к самовосстанавливающимся материалам, которые ремонтируют трещины в мостах или частях самолетов, разбитые экраны телефонов или поцарапанные двери автомобилей.
Поскольку существует так много типов пластика, в настоящее время невозможно найти универсальный катализатор, который может их расщеплять, что особенно важно для очистки микропластика или борьбы с загрязнением углерода. Квантовые вычисления могли бы рассчитать свойства таких катализаторов для расщепления загрязняющих веществ на ценные побочные продукты или разработать нетоксичные альтернативы в первую очередь.
Ферменты, своего рода биологический катализатор, можно было бы эффективнее использовать в здравоохранении и сельском хозяйстве благодаря точным расчетам их поведения, которые могут обеспечить только квантовые вычисления. Это могло бы привести к прорывам, помогающим искоренить глобальный голод: повышению плодородия почвы для увеличения урожайности или содействию устойчивому росту продуктов питания в суровых климатических условиях.
Прежде всего, квантовые вычисления могут позволить инженерам, ученым, компаниям и другим просто проектировать вещи правильно с первого раза – что будет иметь преобразующее значение для всего, от здравоохранения до разработки продуктов. Мощь квантовых вычислений в сочетании с инструментами ИИ позволит кому-то описать, какой новый материал или молекулу они хотят создать, на простом языке и получить ответ, который работает сразу – без догадок или лет проб и ошибок.  

«Любая компания, которая что-то производит, могла бы просто спроектировать это идеально с первого раза. Она бы просто дала вам ответ», — сказал Тройер. «Квантовый компьютер обучает ИИ языку природы, чтобы ИИ мог просто сказать вам рецепт того, что вы хотите сделать».

Переосмысление квантовых вычислений в больших масштабах
Квантовый мир функционирует по законам квантовой механики, которые не являются теми же законами физики, которые управляют миром, который мы видим. Частицы называются кубитами, или квантовыми битами, по аналогии с битами, или единицами и нулями, которые сейчас используют компьютеры.

Кубиты капризны и крайне восприимчивы к возмущениям и ошибкам, которые исходят от их окружения, что приводит к их распаду и потере информации. На их состояние также может влиять измерение — проблема, поскольку измерение необходимо для вычислений. Неотъемлемой проблемой является разработка кубита, который можно измерять и контролировать, при этом обеспечивая защиту от окружающего шума, который их портит.

Кубиты можно создавать разными способами, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Почти 20 лет назад Microsoft решила использовать уникальный подход: разработать топологические кубиты, которые, по ее мнению, предложат более стабильные кубиты, требующие меньшего исправления ошибок, тем самым открывая преимущества скорости, размера и управляемости. Этот подход представлял собой крутую кривую обучения, требующую неизведанных научных и инженерных прорывов, но также и наиболее многообещающий путь к созданию масштабируемых и управляемых кубитов, способных выполнять коммерчески ценную работу.