Майорана 1: Что означает заявление Microsoft для будущего квантовых компьютеров

В среду компания Microsoft сделала драматическое заявление о создании первого квантового чипа на основе топологических кубитов — особого типа кубитов, основанных на частицах, называемых майорановскими фермионами. Новый квантовый процессор, названный «Majorana 1» в честь итальянского физика, представляет собой прототип, созданный с использованием первого «топопроводника» — особого сверхпроводника, способного содержать «квазичастицы», существующие в «топологическом» состоянии материи, и использовать их для проведения квантовых операций.

Преимущество топологических кубитов В отличие от других кубитов, которые чаще используются в квантовых компьютерах Google, IBM, Rigetti и многих других, топологические кубиты гораздо сложнее реализовать, поскольку они предполагают создание нового состояния материи: сама Microsoft пытается это сделать уже как минимум двадцать лет.

Однако, по крайней мере, теоретически, у них есть фундаментальное преимущество перед остальными: они чрезвычайно устойчивы к деградации своего квантового состояния, необходимого для проведения вычислений, благодаря самому принципу своей работы. По сравнению с другими кубитами они по сути гораздо более «надежны» и устойчивы к ошибкам уже на аппаратном уровне, что устраняет необходимость в огромных усилиях по исправлению ошибок на программном уровне.

Это происходит потому, что «топологическое» состояние характеризуется свойствами, которые, в отличие от жидкого, твердого и газообразного состояний, зависят не от локальных характеристик материала (таких как расположение атомов), а от глобальных, фиксированных свойств, связанных с его математической структурой.

Если результаты Microsoft подтвердятся, они могут проложить путь к созданию новых квантовых чипов, которые будут гораздо более стабильными и управляемыми, что сократит путь к квантовым компьютерам, способным произвести революцию в вычислительной технике, с пары десятилетий до нескольких лет. По данным Microsoft, чип Majorana 1 уже содержит 8 таких кубитов. Эксперты сходятся во мнении, что для настоящего превосходства квантовых вычислений и достижения реальных коммерческих приложений необходимы чипы с как минимум миллионом кубитов.

По словам Microsoft, возможность ограничивать ошибки на физическом уровне может позволить гораздо легче масштабировать вычислительную мощность до этих уровней, поскольку для этого не требуется система исправления ошибок, применяемая к каждому кубиту, что типично для других «нетопологических» подходов.

«Вы не получите миллион кубитов без крови, пота и слез, а также без решения множества очень сложных технических задач на этом пути», — рассказал Четан Наяк, технический сотрудник Microsoft и руководитель группы, экспериментирующей с топологическим подходом, в интервью MIT Technology Review. «Они не хотят преуменьшать трудности, с которыми нам придется столкнуться в будущем, но мы можем сказать, что, по крайней мере, имеем представление о цели».

Сколько маркетинга и сколько науки? Однако, как всегда в таких случаях, необходимо отделить зерна прикладной науки от плевел научного маркетинга. В частности, остается неясным, почему заявления генерального директора Microsoft и пресс-релиз, в которых четко говорится о «новом состоянии материи», и содержание научной статьи, опубликованной в журнале Nature одновременно с объявлением , как будто рассказывают две разные истории.

«У Microsoft первоклассная научная команда, которая добивается первоклассных результатов», — объясняет изданию Italian.Tech профессор Томмазо Каларко, квантовый физик и профессор Болонского университета. «Однако мне интересно, как мы пришли к заявлению генерального директора, поскольку из того, что мы можем прочитать в Nature, по-прежнему нет уверенности в том, что измеренное значение на самом деле является топологическим кубитом. Однако из заявлений Microsoft становится ясно, что результат достигнут».

Суть вопроса в следующем: в заявлении Microsoft говорится о создании первого топологического кубита, а значит, предполагается, что исследовательским группам удалось «синтезировать» (простите за упрощение) фермион Майораны, правильно измерив его существование и квантовое состояние (нулевой режим Майораны) внутри топологического сверхпроводника, созданного Microsoft «атом на атоме» с использованием алюминия и арсенида индия.

Что на самом деле говорится в статье в Nature Однако статья, опубликованная в Nature, фокусируется на подходе к измерениям и пока не «доказывает» существование квазичастиц в сверхпроводнике, но утверждает, что получен фундаментальный результат в системе, подтверждающий их существование.

«В этой статье, — сообщает Nature, — мы демонстрируем возможность измерения с временным разрешением, тем самым подтверждая фундаментальный компонент топологических квантовых вычислений».

«В статье исследователи говорят следующее: нам удалось провести операцию, которая имеет основополагающее значение для наших целей», — поясняет Каларко. «Этот научный результат сам по себе является исключительным и находится на самом высоком уровне. Однако они также признают, что это измерение в настоящее время не подтверждает, действительно ли измеренное явление связано с наличием фермионов Майораны, или же это вместо этого тривиальное и, следовательно, нетопологическое явление».

Настоящая неопровержимая улика содержится в редакционных примечаниях к статье, также опубликованных в журнале Nature, где рецензенты статьи предупреждают о ее интерпретации: «Редакционная группа хотела бы подчеркнуть, что результаты этой рукописи не являются доказательством наличия нулевых мод Майораны ( квантовое состояние, имеющее отношение к получению топологических кубитов — прим. ред. ) в описанных устройствах. Работа опубликована для представления архитектуры устройства, которая может позволить проводить будущие эксперименты по слиянию с нулевыми модами Майораны».

Прецеденты между Microsoft и Nature Крайняя осторожность Nature, скорее всего, обусловлена ​​прецедентами Microsoft и «скандала», который в 2021 году привел к отзыву статьи на ту же тему, подписанной совместно исследователями, связанными с компанией из Редмонда и Делфтским технологическим университетом. В 2018 году журнал Nature опубликовал статью, в которой исследовательская группа заявила, что обнаружила убедительные доказательства наличия нулевых мод Майораны (МММ) в сверхпроводящих нанопроводах. Это исследование было признано одним из самых веских доказательств существования МЦМ и укрепило идею о том, что Microsoft находится на правильном пути к созданию топологического квантового компьютера. Однако три года спустя один из участвовавших в исследовании исследователей обнаружил неточности в расчетах. Дальнейшее расследование показало, что некоторые данные были выбраны для того, чтобы подчеркнуть желаемый сигнал, при этом игнорируя другие, которые подвергали сомнению открытие.

Ответ Microsoft Четан Наяк, руководитель исследовательской группы, отреагировал на волну скептицизма комментарием в блоге Скотта Ааронсона , американского профессора и ученого-компьютерщика, известного своей популяризаторской работой в области квантовых вычислений. «Читатели статьи Nature, вероятно, заметили, что статья была отправлена ​​на рецензию 5 марта 2024 года и опубликована 19 февраля 2025 года. За последний год мы продолжали добиваться прогресса», — объясняет Наяк, добавляя несколько технических деталей, которые подтверждают измерение по крайней мере четырех нулевых мод Майораны и, следовательно, топологическую природу кубитов Microsoft.

Однако существует фундаментальная проблема: эти результаты, которые явно послужили поводом для публичных торжеств Microsoft, пока не могут считаться «рецензированными» и поэтому неизбежно должны восприниматься с долей скепсиса. Как объясняет Ааронсон, «Ситуация такова, что Microsoft недвусмысленно заявляет о создании топологического кубита и только что опубликовала соответствующую статью в Nature, но заявление о создании топологического кубита еще не было принято рецензией Nature». Огромные инвестиции

Короче говоря, есть большая вероятность, что Microsoft действительно добилась того, о чем заявляет, включая «создание нового состояния материи». Однако научная достоверность рецензируемой статьи отсутствует, и компания явно не хотела ждать этого момента, прежде чем с большой помпой объявить о новом открытии. «Если бы все подтвердилось и было масштабируемым, как утверждает Microsoft, мы бы, безусловно, столкнулись с сенсационным открытием, которое открывает путь к новым приложениям», — заключает Каларко. «Однако, если придерживаться того, что мы читаем в Nature, то пока гора родила пресловутую мышь. Не будем забывать, что это исследование, однако, требует огромных инвестиций, которые должны быть оправданы — даже внутри крупных компаний. Неизбежно, что в сообщении этих результатов есть также фундаментальный аспект научного маркетинга».