Microsoft представила Majorana 1 — квантовый процессор из будущего с ещё не открытой физиками частицей

Компания Microsoft объявила о революции в сфере квантовых вычислений. Специалисты компании разработали и воплотили в «железе» абсолютно новый принцип кубитов, который ранее никем не был реализован. В основе квантового процессора Majorana 1 («Майорана 1») задействованы гипотетические частицы — фермионы Майораны. Интересно, что у этой разработки можно обнаружить российские и даже советские корни.

Источник изображений: Microsoft

Прежде всего поясним, что фермионы Майораны существуют лишь в теории. Эти частицы ещё не были зарегистрированы в экспериментах, и их обнаружение будет равнозначно получению Нобелевской премии по физике. Пока же это мечта и цель многих учёных. Значит ли это, что Microsoft всех обманула? И да, и нет. В последние годы физики научились создавать квазичастицы, близкие по свойствам к фермионам Майораны. Это облака из сверхохлаждённых электронов, которые называют «модами нуль-энергии».

Идею квантового компьютера на основе майорановских фермионов в 1990-х годах разработал советский, российский, а позднее американский физик Алексей Китаев. Он также помогал Microsoft с продвижением этого направления. Китаев разработал теорию, объясняющую способы получения таких квазичастиц. Они образуются в присутствии топологического проводника — материала, обладающего проводимостью только по поверхности. Для создания кубитов на основе майорановских фермионов был предложен модернизированный классический джозефсоновский переход — структура, состоящая из двух сверхпроводников с изолятором между ними. Однако вместо второго сверхпроводника использовался топологический материал.

В случае с квантовым процессором Microsoft Majorana 1 применялась комбинация арсенида индия и алюминиевых проводов. Кубиты имеют форму буквы H, на каждом её конце в ловушках располагается по одному фермиону Майораны, представленному группой электронов. Такая конструкция обещает простое масштабирование, схожее с изготовлением транзисторов на полупроводниковых кристаллах. В настоящий момент процессор Majorana 1 содержит лишь восемь таких кубитов, однако к 2030 году Microsoft планирует увеличить их число до нескольких сотен, а в перспективе выпустить чип с миллионами кубитов всего за несколько лет, а не десятилетия.

«Мы сделали шаг назад и сказали: "Хорошо, давайте изобретём транзистор для квантовой эпохи. Какими свойствами он должен обладать?" — рассказал Четан Наяк (Chetan Nayak), технический сотрудник Microsoft. — Именно так мы пришли к нашему решению. Именно сочетание, качество и важные детали в новом наборе материалов позволили создать новый тип кубита и, в конечном счёте, всю нашу архитектуру».

Новая квантовая платформа Microsoft требует криогенного охлаждения и взаимодействия с классическими компьютерами для обработки квантовой информации. Казалось бы, в этом нет ничего нового. Прорывом стало использование топологических материалов — так называемых топопроводников (topoconductors), а также работа с квазичастицами майорановских фермионов. В Microsoft смогли разработать архитектуру, способную с высочайшей точностью регистрировать характеристики квазичастиц (определяя один электрон из миллиона) и управлять их состоянием.

Пока нельзя сказать, насколько квазичастицы фермионов Майораны будут полностью соответствовать свойствам гипотетических майорановских фермионов. В идеальном случае эти частицы должны быть чрезвычайно устойчивы к внешним воздействиям и защищены от ошибок — главной проблемы современных квантовых платформ. Если всё пойдёт по плану Microsoft, то уже к середине 2030-х годов у нас появится универсальный, помехоустойчивый квантовый компьютер, который совершит революцию в сфере сложных вычислений.