Топопроводники Microsoft: что это такое, как работает
Microsoft объявила о революционном прорыве в физике. Как известно, в природе существует четыре основных состояния материи: твердое, жидкое, газообразное и плазма. Но в ИТ-корпорации создали новое состояние — топологическое. Научный журнал Nature описывает его как «коллективное состояние электронов» в материале, когда они устойчивы к шумам, деформациям и любым температурам. Это сравнимо с тем, как если бы звенья в цепи двигались или поворачивались друг вокруг друга, при этом оставаясь связанными.
Фото: John Brecher / Microsoft
Microsoft представила чип Majorana 1 — в его основе как раз топологический сверхпроводник, или топопроводник. Этот материал проводит электрический ток, при этом отличается высокой устойчивостью, стабильностью и минимальной чувствительностью к ошибкам. То есть, по сути, топопроводники «защищают» квантовую информацию от внешних воздействий и помех. Когда чип Majorana 1 охлаждается до экстремально низких температур (примерно 400 градусов ниже нуля), он демонстрирует «сверхмощные свойства»: в Microsoft утверждают, что эта разработка ускорит создание квантовых компьютеров и сделает возможным решение сверхсложных технологических, математических и научных задач, недоступных современным машинам.
С самого начала мы хотели создать квантовый компьютер для коммерческого использования, а не просто для интеллектуального лидерства в отрасли. Мы знали, что нам нужна новая технология. Мы знали, что нам нужно масштабироваться.
Маттиас Тройер
научный сотрудник Microsoft, специализирующийся на квантовых вычислениях
Ученые сходятся во мнении, что до создания полноценного квантового компьютера, способного решать промышленные задачи и готового к использованию в коммерческих целях, еще несколько десятилетий. Но в Microsoft считают, что с Majorana 1 и топопроводниками до реальности с квантовыми компьютерами остались «годы, а не десятилетия». Свое изобретение инженеры компании сравнивают с появлением полупроводников в XX веке, без которых сегодня не существовали бы смартфоны, ноутбуки и настольные ПК. Но ряд исследователей относятся к заявлениям американской корпорации настороженно.
Если все получится, исследование Microsoft может стать революционным. И топологические сверхпроводники в принципе возможны, ученые сходятся во мнении, что над этим стоит работать. Однако Microsoft нужно убедиться, что их устройство ведет себя так, как предсказывает теория. В противном случае реальность квантовых вычислений может оказаться не такой радужной, как они ее описывают.
Джейсон Алисия
профессор физики Калифорнийского технологического института
Что такое квантовый компьютер и зачем он нужен
Для того чтобы понять суть квантовых вычислений, нужно знать, как устроен обычный компьютер. Современные смартфоны, ноутбуки и настольные ПК работают на чипах, которые хранят и обрабатывают данные, складывают и умножают числа, совершают различные операции. Вся информация хранится в виде последовательности нулей и единиц, то есть битов. Каждый бит — либо 1, либо 0.
Квантовый компьютер работает немного иначе: в данном случае основная единица хранения информации — кубит (квантовый бит). Он может находиться в суперпозиции — хранить ноль, единицу, ноль и единицу одновременно или ни то ни другое. Поэтому квантовые компьютеры работают быстрее и могут решать более масштабные задачи. И по мере роста числа кубитов такие машины становятся все более мощными.
Если верить прогнозам ученых, то через несколько лет (или десятилетий) квантовые компьютеры смогут, например, моделировать химические соединения — это сократит расходы и ускорит работу исследователей в разных сферах, в том числе в фармацевтической. В Microsoft ожидают, что сверхмощные машины будут решать и глобальные задачи — разберутся с расщеплением микропластика на безопасные компоненты и помогут создать самовосстанавливающиеся материалы, которые можно использовать в медицине и строительстве.
Кроме того, это будут задачи оптимизации, задачи логистики, задачи с финансовыми портфелями. Эффективных алгоритмов для решения таких задач на классическом компьютере человечество пока не смогло найти — требуется либо слишком много памяти, либо слишком много времени. А вот для квантового компьютера, который работает по принципам квантовой механики, такие алгоритмы можно придумать — только нужно сделать такую машину, которая будет работать достаточно надежно и обладать достаточно высокой мощностью.
Илья Заливако
ведущий научный сотрудник Физического института им. Лебедева РАН
Какие страны работают над квантовыми компьютерами
Сложность работы с квантовыми компьютерами в том, что эта хрупкая система должна быть хорошо изолирована от внешней среды. При этом ей нужно постоянно управлять и контролировать ее состояние. В консалтинговой компании McKinsey предполагают, что квантовые компьютеры в промышленности начнут использовать в 2030-х годах, а вот прогнозов о массовой продаже машин для простых пользователей аналитики пока не делают. Тем временем в развитие технологии вкладываются частные инвесторы и правительства. Например, в Китае на исследования квантовых вычислений выделили $15,2 млрд, в Евросоюзе — $7,2 млрд.
Фото: IBM
В США ведущие игроки на рынке квантовых технологий — компании IBM (International Business Machines), Intel, Google и другие ИТ-гиганты. Например, IBM регулярно улучшает характеристики своих квантовых процессоров и до 2033 года планирует наращивать количество кубитов в их основе. А Google в конце 2024-го представила новый экспериментальный квантовый чип Willow, способный за 5 минут решить задачу, на которую современным суперкомпьютерам потребовалось бы 10 септиллионов лет.
В России официально утвердили «дорожную карту» развития области «Квантовые вычисления». Летом 2023-го вице-премьер РФ Дмитрий Чернышенко рассказал, что исследования и разработки в этой сфере обеспечены финансированием на ближайшие 3 года — власти выделили из бюджета 40 млрд рублей ($441 млн по курсу на июль 2023-го). Так, в октябре 2024-го стало известно, что российские ученые создали 50-кубитный квантовый компьютер. На это у научной группы ушло 4 года — высокий показатель по сравнению со среднемировым (15 лет) для аналогичных машин.
Фото: Российский квантовый центр
Пока что мы можем решать задачи не очень сложные, но те, которые позволяют нам понять, как ведет себя квантовый компьютер, где у него проблемы, что работает хорошо, что — не очень. Занимаемся, грубо говоря, исследованием нашей машины. Плюс мы пытаемся находить такие подходы, которые вкупе с классическими вычислениями уже позволят нам ускорить какие-то вычисления.
Александр Борисенко
ведущий научный сотрудник группы «Прецизионные квантовые измерения» Российского квантового центра, научный сотрудник лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» Физического института им. Лебедева РАН
Фото обложки: John Brecher / Microsoft