Microsoft сделала ход в гонке квантовых вычислений. Раскрываем детали о чипе Majorana 1

В отличие от обычных компьютеров, обрабатывающих информацию в виде единиц и нулей, квантовые компьютеры используют кубиты — единицы информации, способные находиться в суперпозиции нуля и единицы. Это практически и теоретически дает возможность решать с помощью квантовых технологий задачи, на которые самым мощным суперкомпьютерам требуются годы вычислительной работы.

Большинство современных квантовых компьютеров используются учеными и в лучшем случае содержат тысячи кубитов. Это очень молодая сфера технологий с присущими этому этапу ограничениями. Как ранние телефоны и карты памяти, квантовые компьютеры огромны, требуют специальных условий — охлаждения азотом и гелием — и решают «узкие» задачи.

Технологическая компания Microsoft вкладывается в квантовые технологии, как и другие гиганты индустрии: IBM и Google. В среду, 19 февраля 2025 года, исследователи показали компьютерный чип, работающий с топологическими квантовыми вычислениями. Сопровождающие чип научные детали опубликованы в журнале Nature.

В топологическом кубите информация распределена по всей системе, а не хранится в отдельных частицах. Из-за этого такие кубиты более устойчивы к шумам и ошибкам. Для работы топологических кубитов нужны квазичастицы-энионы. Это обобщение для бозонов и фермионов в двумерных системах, название образовано от английского any — «любой» в переводе на русский.

Для работы чипа понадобились особенные энионы — нулевые майорановские моды, состояние майорановского фермиона с нулевой энергией. Майорановские фермионы являются своей же античастицей и носят фамилию итальянского физика Этторе Майорана (Ettore Majorana), предсказавшего их существование. По этой причине чип тоже назвали Majorana 1.

Исследователи смогли пронаблюдать на чипе слияние неабелевых энионов и оценить этот процесс с высокой точностью измерений. Команда Microsoft также показала архитектуру устройства, совместимую с будущими тестами правил слияния квазичастиц-энионов. На чипе удалось провести единичное (single-shot) интерферометрическое измерение фермионной четности в структуре на основе арсенида индия и алюминия (InAs–Al).

Ученые сформировали интерферометр на основе квантовых точек и подключенного к ним нанопровода, находящегося под влиянием сверхпроводимости. Квантовые точки и провод не вступают в прямой контакт, соединение туннельное. Рабочие температуры исследования — от 50 до 300 милликельвин, для их достижения необходимо специальное охлаждение.

Полностью существование нулевой майорановской моды не доказано, однако именно эти квазичастицы и топологические кубиты теоретически могут сильно продвинуть квантовые вычисления. В своей статье сотрудники Microsoft представили новые данные, подтверждающие существование нужного эниона. Их предстоит проверить другим научным группам

Чип произвели в США, он значительно меньше других современных квантовых чипов — вся структура помещается в ладони. В нем восемь топологических кубитов.

Microsoft сразу представила свою разработку в потребительском дизайне. В компании считают, что этот чип сделает квантовые вычисления достаточно надежными для практического использования.

Хотя чип представляет собой значительный шаг вперед, Microsoft признала, что предстоит еще много инженерной работы, прежде чем квантовые компьютеры станут практическими инструментами. Компания утверждает, что этот прорыв может сделать такую реальность возможной в течение «лет, а не десятилетий».