В чем принципиальное отличие нового квантового чипа Microsoft? Откроет ли Majorana 1 новую эру вычислений?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Помните фантастические фильмы, где компьютеры решают сложнейшие задачи за секунды? Кажется, будущее, где такие технологии станут реальностью, уже не за горами. Корпорация Microsoft сделала важный шаг в этом направлении, представив новый чип, способный, по их словам, кардинально изменить подходы к решению глобальных проблем — от борьбы с загрязнением окружающей среды до разработки лекарств нового поколения. И это не просто громкие заявления — достижения Microsoft подтверждены публикацией в престижном научном журнале Nature.

Что же такого особенного в этом чипе, умещающемся на ладони?

Новый чип, получивший название Majorana 1 (в честь итальянского физика-теоретика Этторе Майораны), использует принципиально новый подход к созданию квантовых компьютеров. Если совсем просто, то обычные компьютеры оперируют битами, которые могут быть либо нулём, либо единицей. Квантовые же компьютеры используют кубиты, которые, благодаря законам квантовой механики, могут находиться в нескольких состояниях одновременно. Это позволяет им выполнять вычисления на порядки быстрее, чем самые мощные современные суперкомпьютеры.

Иллюстрация
Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Однако, есть одна большая проблема: кубиты крайне нестабильны и подвержены влиянию внешних факторов, что приводит к ошибкам в вычислениях. Именно эту проблему и решает разработка Microsoft.

В чём же секрет?

В основе Majorana 1 лежит так называемая интерферометрическая система измерения фермионной чётности. Звучит сложно? Давайте разбираться!

Представьте себе крошечный проводник (нанопроволоку), сделанный из арсенида индия и алюминия. На концах этого проводника, если он находится в особом состоянии (топологическом сверхпроводящем состоянии), образуются так называемые майорановские нулевые моды (МНМ). Это квазичастицы, которые обладают уникальными свойствами и, по сути, хранят в себе квантовую информацию.

Ключевой момент в том, что информация хранится не в самих МНМ, а в фермионной чётности — характеристике, показывающей, «чётное» или «нечётное» количество фермионов (элементарных частиц, таких как электроны) содержится в этой системе. И вот здесь начинается самое интересное: чтобы считать эту информацию, учёные создали систему, напоминающую интерферометр.

a, Идеализированная модель системы. Нанопроволока, настроенная на состояние 1DTS, содержит МЗМ на своих концах, изображенных звездочками. Квантовая точка перестраиваемо связана с МЗМ туннельными связями tL и tR, образуя интерферометр, который чувствителен к магнитному потоку Φ, заключенному в пунктирную линию, и к объединенной фермионной четности Z системы точка-МЗМ. Отравление квазичастицей (фиолетовый круг) меняет четность. b, Пример энергетических спектров интерферометра с общей четностью Z = -1 (красный) и Z = +1 (синий) в окрестности избегаемого перехода между состояниями с N и N + 1 электронами на точке, как функция плунжерного напряжения на квантовой точке. c, Схема затвора интерференционной петли, образованной тройной квантовой точкой и нанопроводом с затвором (светло-зеленый). Напряжение VWP1 подается на плунжерный затвор проволоки (желтый), а напряжение VQD2 - на плунжерный затвор точки 2 (фиолетовый). Эффективные связи tL и tR на панели a зависят от связей tm1, t12 и tm2, t23 и отстройки квантовых точек 1 и 3, соответственно. Квантовая точка 2 емкостно соединена с внечиповым резонатором для зондирования дисперсионного затвора и измерения CQ, который также включает тройник смещения для подачи постоянного напряжения. Цитирование: Microsoft Azure Quantum., Aghaee, M., Alcaraz Ramirez, A. et al. Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices. Nature 638, 651–655 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08445-2
a, Идеализированная модель системы. Нанопроволока, настроенная на состояние 1DTS, содержит МЗМ на своих концах, изображенных звездочками. Квантовая точка перестраиваемо связана с МЗМ туннельными связями tL и tR, образуя интерферометр, который чувствителен к магнитному потоку Φ, заключенному в пунктирную линию, и к объединенной фермионной четности Z системы точка-МЗМ. Отравление квазичастицей (фиолетовый круг) меняет четность. b, Пример энергетических спектров интерферометра с общей четностью Z = -1 (красный) и Z = +1 (синий) в окрестности избегаемого перехода между состояниями с N и N + 1 электронами на точке, как функция плунжерного напряжения на квантовой точке. c, Схема затвора интерференционной петли, образованной тройной квантовой точкой и нанопроводом с затвором (светло-зеленый). Напряжение VWP1 подается на плунжерный затвор проволоки (желтый), а напряжение VQD2 — на плунжерный затвор точки 2 (фиолетовый). Эффективные связи tL и tR на панели a зависят от связей tm1, t12 и tm2, t23 и отстройки квантовых точек 1 и 3, соответственно. Квантовая точка 2 емкостно соединена с внечиповым резонатором для зондирования дисперсионного затвора и измерения CQ, который также включает тройник смещения для подачи постоянного напряжения. Цитирование: Microsoft Azure Quantum., Aghaee, M., Alcaraz Ramirez, A. et al. Interferometric single-shot parity measurement in InAs-Al hybrid devices. Nature 638, 651-655 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08445-2
Автор: Microsoft Azure Quantum. et al. Источник: www.nature.com

Представьте себе две дороги, по которым может идти путник. Если дороги одинаковые, то путник придёт в конечную точку в любом случае. Но если на одной из дорог есть препятствие, то время прибытия путника изменится. Примерно так же работает и интерферометр в чипе Microsoft: он «чувствует» изменение фермионной чётности, регистрируя сдвиг квантовой ёмкости связанных с нанопроволокой квантовых точек.

a. Поперечное сечение сверхпроводящего нанопроволочного устройства с определенным затвором. b. Изображение сканирующей электронной микроскопии, на котором алюминиевая полоса (синий), первый слой затвора (желтый) и второй слой затвора (фиолетовый) выделены ложным цветом. Масштабная линейка, 1 мкм. Цитирование: Microsoft Azure Quantum., Aghaee, M., Alcaraz Ramirez, A. et al. Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices. Nature 638, 651–655 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08445-2
a. Поперечное сечение сверхпроводящего нанопроволочного устройства с определенным затвором. b. Изображение сканирующей электронной микроскопии, на котором алюминиевая полоса (синий), первый слой затвора (желтый) и второй слой затвора (фиолетовый) выделены ложным цветом. Масштабная линейка, 1 мкм. Цитирование: Microsoft Azure Quantum., Aghaee, M., Alcaraz Ramirez, A. et al. Interferometric single-shot parity measurement in InAs-Al hybrid devices. Nature 638, 651-655 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08445-2
Автор: Microsoft Azure Quantum. et al. Источник: www.nature.com
Звучит круто! И что это даёт?

Разработка Microsoft позволяет считывать фермионную чётность мгновенно (в режиме «одного выстрела») с вероятностью ошибки всего в 1%! Это невероятно важный шаг на пути к созданию надёжных и масштабируемых квантовых компьютеров.

«Мы переосмыслили принципы работы квантовых компьютеров», — говорит Четан Наяк, старший научный сотрудник Microsoft. «Наш подход позволяет создавать более стабильные и масштабируемые системы, чем те, что разрабатываются лидерами отрасли, такими как Google и IBM.»

Моделирование динамического CQ как функции магнитного потока и заряда смещения затвора точки 2 Ng2, включая влияние шумов заряда и считывания, а также ненулевых температуры, мощности и частоты привода, согласно обсуждению в тексте. a, Гистограмма двух секторов четности для фиксированного Ng2 = 0.49. Здесь мы использовали tm1 = tm2 = 6 мкэВ, t12 = t23 = 8 мкэВ, EC1 = 140 мкэВ, EC2 = 45 мкэВ, EC3 = 100 мкэВ, Ng1 = Ng3 = 0.3, T = 50 мК и EM = 0. b, Куртозис CQ(t) как функция Ng2 и потока через петлю. В середине пунктирного красного прямоугольника указано значение Ng2, использованное для выреза на панели a. Цитирование: Microsoft Azure Quantum., Aghaee, M., Alcaraz Ramirez, A. et al. Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices. Nature 638, 651–655 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08445-2
Моделирование динамического CQ как функции магнитного потока и заряда смещения затвора точки 2 Ng2, включая влияние шумов заряда и считывания, а также ненулевых температуры, мощности и частоты привода, согласно обсуждению в тексте. a, Гистограмма двух секторов четности для фиксированного Ng2 = 0.49. Здесь мы использовали tm1 = tm2 = 6 мкэВ, t12 = t23 = 8 мкэВ, EC1 = 140 мкэВ, EC2 = 45 мкэВ, EC3 = 100 мкэВ, Ng1 = Ng3 = 0.3, T = 50 мК и EM = 0. b, Куртозис CQ(t) как функция Ng2 и потока через петлю. В середине пунктирного красного прямоугольника указано значение Ng2, использованное для выреза на панели a. Цитирование: Microsoft Azure Quantum., Aghaee, M., Alcaraz Ramirez, A. et al. Interferometric single-shot parity measurement in InAs-Al hybrid devices. Nature 638, 651-655 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08445-2
Автор: Microsoft Azure Quantum. et al. Источник: www.nature.com

Конечно, до практического применения квантовых компьютеров ещё предстоит пройти долгий путь, но, по словам представителей Microsoft, благодаря этому прорыву, речь идёт уже о годах, а не о десятилетиях.

Какие задачи смогут решать такие компьютеры?

Потенциал квантовых вычислений огромен. Представьте себе возможность моделировать поведение сложных молекул, что позволит создавать новые лекарства и материалы с уникальными свойствами. Или, например, разработать эффективные методы борьбы с микропластиком, загрязняющим океаны. Или создать самовосстанавливающиеся материалы… Возможности поистине безграничны!

Microsoft

Неудивительно, что исследования в области квантовых вычислений привлекают огромное внимание во всём мире. И США, и Китай активно инвестируют в эту область, а Министерство обороны США уже выбрало Microsoft в качестве одного из двух финалистов своей программы по развитию квантовых вычислений.

Что ж, будем с нетерпением ждать новых прорывов и надеяться, что квантовое будущее наступит как можно скорее! Ведь, согласитесь, решение глобальных проблем с помощью технологий, которые ещё недавно казались научной фантастикой, — это действительно захватывающе!

5 комментариев

Добавить комментарий

B
Doom можно на этой приблуде запустить ?!? :)
Mindkiller
На какие только нестандартные технические решения не идут военные, чтобы поломать RCA и устроить конец света. Но судя по тому, что массовых взломов пока не зафиксировано — мир ещё какое-то время в безопасности. А к тому времени, как квантовые компы хоть чему-то научатся — глядишь все дружно перейдут на эллиптические кривые или ча-ча-ча.
106468915325419667018@google
Ничему они не научатся. Чтобы решать реальные проблемы, а не исполнять бесполезные специально придуманные для КП алгоритмы, нужно такое количество кубитов, которое невозможно оградить от декогеренции.
106468915325419667018@google
Шляпа на 8 кубитов. Пустой хайп.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Как супервспышки на Солнце спасли молодую Землю от вечных льдов: новое объяснение теплого климата в архее

Около четырех миллиардов лет назад, в архейскую и катархейскую эры, Солнце излучало значительно меньше тепла, чем сегодня. Согласно моделям звездной эволюции, в ядре молодой звезды водород только...

Животные появились на 200 миллионов лет раньше: как они выжили на Земле-снежке

В науке о развитии жизни на Земле есть фундаментальное противоречие, которое десятилетиями разделяет геологов, палеонтологов и генетиков. Вопрос звучит просто: когда именно на нашей планете...

Почему динго не стали домашними собаками, хотя тысячи лет жили рядом с людьми

Если посмотреть на динго, трудно сразу понять, чем он отличается от обычной собаки. Рыжеватая шерсть, стоячие уши, вытянутая морда, пушистый хвост. Внешне он напоминает помесь нескольких знакомых...

Обзор программатора домофонных ключей RFID и iButton RW-1990 и TMC-02

Сделать дубликат домофонного ключа рано или поздно приходится многим владельцам квартир. Потеря, поломка или необходимость выдать ключ нескольким членам семьи — причины могут быть...

Побег от цивилизации с комфортом: что посмотреть на Азорских островах в осенний сезон

Рано или поздно каждый человек, оглядываясь, понимает: пора уходить от людей. В лес, в горы — неважно, главное, чтобы в радиусе километра надоедать могли только птички. Но в поисках...

Почему на записи с камеры 8 Мп не видно лица: ошибки при самостоятельной установке видеонаблюдения

Каких ошибок стоит избегать владельцам частных домов при выборе, подключении и настройке камер видеонаблюдения: практические советы специалиста с семилетним опытом установки камер и охранных систем