Гонка квантовых вычислений: Microsoft «приручила» загадочные нулевые моды Майораны
Сообщается, что группа исследователей из Microsoft Quantum достигла новой вехи на пути к созданию надежного и практичного квантового компьютера. В статье, опубликованной в журнале Physical Review B, группа описывает достижение и свои планы по созданию надежного квантового компьютера в течение следующих 25 лет.
Одно из слабых мест квантовых вычислений — большое количество ошибок, или «шум». Чтобы исправить их и сохранить квантовую информацию, сотни и тысячи кубитов объединены в так называемый логический кубит, который создает избыточность, усиливающую надежность. Однако даже логические кубиты со временем будут страдать от ошибок. Ключевым моментом является то, что они должны оставаться безошибочными на протяжении всего времени вычислений.
Квантовые суперкомпьютеры потенциально способны решать задачи, которые не под силу даже самым мощным классическим суперкомпьютерам. Но такую машину еще нужно масштабировать — поставить на поток производства. В Microsoft пришли к выводу, что ни один из существующих типов кубитов не подходит для масштабирования.
«Вот почему мы решили разработать совершенно новый кубит со стабильностью на аппаратном уровне. Это был трудный путь развития, он требовал, чтобы мы совершили прорыв в физике, который ускользал от исследователей на протяжении десятилетий», — говорится в пресс-релизе.
Авторы сообщают, что смогли контролируемо создать топологическую фазу материи, характеризующуюся нулевыми модами Майораны (MZM).
Этторе Майорана — итальянский физик, в честь которого и названы загадочные моды (разновидности частиц). Он предложил одно из возможных решений знаменитого уравнения Дирака — фундаментального уравнения квантовой механики, соединившего теорию относительности и волновую природу частиц. Майорана описал частицу, одновременно являющуюся собственной античастицей — двойником с той же массой и спином, но с остальными характеристиками противоположного знака. Если одна и та же частица заряжена положительно и в то же время отрицательно, то ее общий электрический заряд должен быть равен нулю. Аналогично и с остальными свойствами, следовательно, нет вообще никаких способов их измерения.
Зато таинственные гипотетические «майораны» обязаны иметь необычные и перспективные для науки качества. Это выходило за рамки представлений обычной физики, но дало начало новому направлению сложнейших фундаментальных исследований. Собственно, поиск этих частиц и возможность ими управлять и занимал ученых на протяжении десятилетий.
Топологическая фаза, о которой объявили в Microsoft, может обеспечить высокостабильные кубиты небольших размеров, быстрым временем срабатывания и цифровым управлением. Однако «шум» может разрушить топологическую фазу и затруднить ее обнаружение.
«В нашей статье сообщается об устройствах с достаточно низким "шумом", чтобы пройти протокол топологического разрыва, тем самым демонстрируя эту фазу материи и прокладывая путь к новому стабильному кубиту. Мы добавили обширные тесты с симуляциями, которые подтверждают открытие. Кроме того, мы разработали новое измерение уровня "шума" в наших устройствах, которое демонстрирует, как мы смогли достичь нужного рубежа, и заложило основу для дальнейших улучшений», — заявили в корпорации.
В Microsoft предложили новый показатель качества компьютерных вычислений — rQOPS, который измеряет, сколько надежных операций может быть выполнено за секунду. Квантовому суперкомпьютеру потребуется не менее одного миллиона rQOPS. Отрасль в целом еще не достигла этой цели, но разработчики смотрят в будущее с оптимизмом, планируя достичь качества вычислений, которые прогнозировались через 250 лет, уже через четверть века.
Сегодня область, которая требует больше всего сложных вычислений, с которыми не справляются аналоговые компьютеры, и которая при этом является очень коммерчески перспективной — это химия и материаловедение. Речь идет, прежде всего, о создании новых материалов, веществ, лекарств, которые могут кардинально изменить повседневную жизнь людей. Чтобы максимально упростить этот процесс, нужно моделировать огромное количество очень сложных молекул, белков и пр., затем вычислять их свойства и совместимость. Современным компьютерам это не под силу. Считается, что количество возможных стабильных молекул и материалов намного превышает количество атомов в известной Вселенной.
Химия напрямую затрагивает более 96% всех промышленных товаров, поэтому потенциальное влияние системы огромно. Вероятно, по этой причине Microsoft адресовала свою новую разработку именно корпорациям химической, фармацевтической промышленности, а также занимающимся созданием новых материалов, видов топлива и т. п. Предварительная пробная версия, оснащенная искусственным интеллектом, может быть доступна специалистам уже 30 июня.
