Microsoft Majorana 1: топологический квантовый чип, который меняет будущее вычислений

Компания Microsoft сделала значительный шаг вперёд в сфере квантовых вычислений, представив чип Majorana 1 с топологическими кубитами на основе фермионов Майораны. Эта технология обещает решить проблемы квантовых систем — нестабильность и высокий уровень ошибок — и приблизить эру доступных квантовых компьютеров.

Что такое Majorana 1

Чип Majorana 1 — это процессор для квантовых вычислений, разработанный для использования возможностей квантовой механики. 

Напомним, что обычные компьютеры работают с битами — элементарными единицами информации. Каждый бит может принимать одно из двух значений: 0 или 1. Всё, что делает компьютер — от отображения текста на экране до выполнения сложных вычислений, — основано на комбинациях нулей и единиц. Биты реализуются с помощью транзисторов — электронных переключателей, которые могут быть включены (1) или выключены (0). Миллиарды таких транзисторов работают вместе, чтобы выполнять вычисления и обрабатывать данные.

Обычные компьютеры мощные, но они работают последовательно: выполняют одну задачу за другой. Это ограничивает их возможности при решении сложных проблем, таких как моделирование молекулярных структур или оптимизация масштабных систем.

Квантовые компьютеры используют кубиты — квантовые биты, которые принимают значения 0, 1 или оба одновременно. Это явление называется суперпозицией и позволяет таким устройствам выполнять множество вычислений одновременно.

Кубиты используют законы квантовой механики и вместо транзисторов могут быть реализованы с помощью физических систем, таких как: 

• сверхпроводящие кубиты (применяются IBM и Google) — работают на основе электрических токов в сверхпроводящих цепях;

• ионные кубиты (используются IonQ) — на основе ионов, которые удерживаются в электромагнитных ловушках;

• фотонные кубиты — используют частицы света (фотоны).

Квантовые биты взаимодействуют друг с другом, даже если находятся на большом расстоянии. Изменение состояния одного кубита моментально сказывается на состоянии другого.

Но кубиты очень восприимчивы к внешним факторам. Это связано с явлением декогеренции — потерей квантового состояния из-за влияния окружающей среды. Даже незначительные колебания температуры или воздействия слабых электромагнитных полей способны привести к ошибкам в работе квантовых систем.

В чипе Majorana 1 эта проблема решена с помощью майорановских фермионов — частиц, которые более устойчивы к внешним помехам.

Что такое майорановские фермионы

Фермионы Майораны — неуловимые квазичастицы частицы, которые были впервые теоретически описаны физиком Этторе Майораной в 1937 году. 

В физике элементарных частиц большинство фермионов (протоны, нейтроны, электроны) описываются теорией Дирака, которая утверждает, что у каждой частицы существует своя античастица. Однако теория Майораны предлагает иной подход: некоторые нейтральные фермионы могут существовать в особых самосопряжённых состояниях, то есть быть своими собственными античастицами. При столкновении двух таких фермионов Майораны они аннигилируют, не оставляя после себя никаких следов.

Физики нашли доказательства существования майорановских квазичастиц в сверхпроводниках. Они называются майорановскими нулевыми модами (MZM) — локализованными квантовыми состояниями с теми же свойствами, что и фермионы Майораны.

MZ-структуры появляются на концах специальных сверхпроводящих нанопроводов. В этих местах они образуют топологически защищённые состояния, которые устойчивы к внешним помехам. 

В квантовых вычислениях майорановские фермионы используются для создания топологических кубитов. Эти кубиты кодируют информацию не в отдельных частицах, а в коллективных состояниях.

Если вы поняли всё, что написано в этой главе, то вы очень редкий и очень умный человек.

Как работает Majorana 1

Архитектура чипа основана на алюминиевых нанопроводах, соединённых в форме буквы «Н». В одной такой конструкции находится четыре частицы Майораны — это один кубит, а всего в чипе их восемь. Цель Microsoft — масштабировать технологию и разместить миллион кубитов на чипе размером с ладонь для решения сложнейших вычислительных задач.

В гибридных нанопроводах электроны и«дырки» (отсутствие электронов) взаимодействуют особым образом, создавая условия для появления майорановских состояний. На концах нанопроводов образуются нулевые моды Майораны.

Квантовая информация кодируется в парах нулевых мод. Это означает, что она не хранится в одной частице, а распределена между двумя майорановскими квазичастицами. Такое распределение делает информацию менее уязвимой к локальным помехам (колебаниям температуры или электромагнитным полям).

Если одна из частиц подвергается воздействию, информация сохраняется благодаря второй частице — такое свойство называется топологической защитой.

Для выполнения квантовых вычислений нужно изменять состояния кубитов. В чипе Majorana 1 это делается с помощью операции плетения (braiding). Плетение — это перемещение нулевых мод Майораны в пространстве. Когда две такие моды меняются местами, их квантовые состояния изменяются. Таким образом, плетение позволяет манипулировать кубитами и выполнять вычисления на квантовом уровне.

Операции плетения устойчивы к ошибкам, так как они зависят только от топологических свойств системы, а не от точного положения частиц. 

После завершения вычислений необходимо прочитать результат. Для этого применяют специальные методы измерения, которые определяют состояние нулевых мод. Так как информация кодируется в паре частиц, а не в одной, процесс чтения также менее подвержен ошибкам.

Почему это революционно?

Majorana 1 решает одну из главных проблем квантовых вычислений — избавляет от декогеренции. Используя топологическую защиту и устойчивость майорановских квазичастиц, этот чип открывает путь к созданию устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров. Такие устройства смогут справляться с задачами, которые остаются недоступными для традиционных вычислительных систем.

В чём сложность?

Одна из самых больших трудностей при использовании фермионов Майораны — создание и стабилизация нулевых мод в контролируемой среде. Условия, необходимые для появления MZM, очень сложны:

• Сверхнизкие температуры. Majorana 1 работает при температурах, близких к абсолютному нулю (около -273 °C) с использованием криогенных систем. Это нужно для подавления тепловых шумов, которые могут нарушить квантовые состояния. 

• Точная разработка материалов. Топологические свойства, необходимые для MZM, требуют высокоспециализированных гибридных материалов из сверхпроводников и полупроводников. Их очень сложно изготовить.

• Операции плетения без ошибок. Кубиты Майораны теоретически устойчивы. Однако достижение идеальных операций плетения на практике остаётся экспериментальной задачей.

Эксперимент Microsoft

В феврале 2025 года компания Microsoft представила промежуточные итоги ^[1] своих исследований в журнале Nature. Учёные использовали нанопровод из арсенида индия и алюминия, чтобы получить майорановские квазичастицы и изучить их стабильность.

В обычном сверхпроводнике электроны образуют пары, но в ходе исследования специалистам удалось создать одиночный электрон с необычным поведением ^[2]. Он одновременно находился на обоих концах нанопровода. Когда два таких провода соединили, электрон перешёл в состояние суперпозиции, то есть присутствовал в обоих проводниках одновременно. Это феномен подтверждает, что майорановские квазичастицы могут стать основой для создания стабильных кубитов.

Долгосрочное видение Microsoft в области квантовых вычислений

Стратегия Microsoft в области квантовых вычислений отличается от стратегий других крупных игроков в этой сфере. Такие компании, как IBM, Google и Rigetti сосредоточены на сверхпроводящих кубитах. Однако Microsoft придерживается долгосрочного подхода и вкладывает значительные средства в топологические вычисления. Конечная цель — разработать полностью отказоустойчивый квантовый компьютер, который будет легко интегрироваться с Azure Quantum (облачной платформой для квантовых вычислений).

План развития включает в себя:

1. Доказательство работоспособности крупномасштабных массивов кубитов Майораны: демонстрация того, что кубиты на основе Майораны могут надёжно функционировать в более крупных квантовых схемах.

2. Создание масштабируемого оборудования: переход от экспериментальных прототипов к практическим квантовым процессорам.

3. Интеграция квантовых вычислений с Azure: предоставление возможностей квантовых вычислений с помощью Azure Quantum. Это позволит решать сложные задачи в области криптографии, материаловедения и искусственного интеллекта ^[3].

Microsoft ожидает, что квантовый компьютер на топологических кубитах сможет достичь уровня, необходимого для решения сложных коммерческих задач, которые недоступны для обычных устройств. Например, задач в области химии и материаловедения. При этом сам компьютер будет компактным и сможет поместиться в шкафу.

Отказоустойчивый квантовый компьютер получит преимущество над классическим, когда сможет выполнять миллионы надёжных квантовых операций в секунду (rQOPS). Это новый отраслевой показатель, отражающий способность решать реальные задачи. Такой компьютер должен допускать не более одной ошибки ^[4] на триллион операций. Существующие квантовые устройства имеют нулевое значение rQOPS, поскольку их кубиты ненадёжны, подвержены шумам и чувствительны к внешним условиям.

Заключение

Majorana 1 находится на экспериментальной стадии. Если Microsoft сможет преодолеть проблемы, связанные с проверкой, стабильностью и масштабируемостью, это откроет новую эру отказоустойчивых квантовых вычислений. Такие компьютеры смогут решать задачи, которые сегодня недоступны даже самым мощным классическим системам — от моделирования сложных молекул до оптимизации глобальных систем и создания новых материалов.