Microsoft представила новый революционный материал и на его основе создала квантовый чип Majorana 1. По мнению компании, это может открыть новую эру вычислений. Речь идёт о таком же прорыве, каким когда-то стали полупроводники: именно они, открытые Майклом Фарадеем в 1833 году, привели к появлению современных телефонов, ноутбуков и прочей электроники. Теперь же Microsoft говорит о «топопроводниках» — материалах, способных вывести квантовые вычисления на принципиально новый уровень масштабирования уже к 2025 году.
По словам Microsoft, как полупроводники однажды дали толчок всей современной электронной индустрии, так топопроводники обеспечат создание систем с миллионами кубитов, которые смогут решать сложнейшие промышленные и социальные задачи. Чип Majorana 1, утверждают в компании, сразу решает две главные проблемы квантовых вычислений: масштабирование и рост ошибок. На его разработку ушло 20 лет. Обычно, если увеличить число кубитов, то и число ошибок растёт экспоненциально, однако, по мнению Microsoft, топопроводниковая архитектура удерживает этот рост на минимальном уровне и способна теоретически дойти до миллиардов кубитов без критических потерь точности. При этом сам чип можно уместить на ладони. Генеральный директор Microsoft уверяет, что полноценные квантовые компьютеры на базе Majorana 1 могут появиться не спустя десятилетия, а буквально через несколько лет.
Ниже есть продолжение.
О КУБИТАХ И ТОПОКВАНТОВОМ ПОДХОДЕ
В большинстве современных квантовых устройств кубиты формируются с помощью сверхпроводящих схем, ионов или фотонов. Такие кубиты очень чувствительны к любым шумам окружающей среды. Чтобы работать стабильно, их приходится охлаждать до околонулевых температур и применять сложные механизмы коррекции ошибок. Чем больше кубитов, тем сложнее этими механизмами управлять и тем выше риск декогеренции.
Вместо этого Microsoft предлагает использовать топопроводники (или топологические сверхпроводники). В таких материалах информация кодируется не в хрупком состоянии частицы, а в её топологических характеристиках, что существенно повышает устойчивость к мелким возмущениям. Поэтому даже при выпуске большого числа кубитов уровень ошибок не должен резко вырастать — Microsoft считает, что миллион кубитов на одном чипе вполне реалистичен.
ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ И ФЕРМИОНЫ МАЙОРАНЫ
Майорановские квазичастицы, предсказанные Этторе Майораной в 1930-х годах, представляют собой уникальные объекты, являющиеся собственными античастицами. В физике твёрдого тела квазичастицы - это моделирование коллективного поведения множества частиц в материале. Например, фононы описывают колебания атомов в кристаллической решётке и влияют на теплопроводность и сверхпроводимость. В сверхпроводниках электроны за счёт взаимодействия с фононами могут объединяться в куперовские пары, которые уже ведут себя как бозоны.
В твёрдотельных системах они возникают не как свободные частицы, а как коллективные возбуждения в материалах, например, в топологических сверхпроводниках. Эти квазичастицы, подобно фононам (квантам колебаний кристаллической решётки) или куперовским парам (связанным состояниям электронов в сверхпроводниках), моделируют коллективное поведение частиц, определяя свойства материалов, такие как теплопроводность или сверхпроводимость.
ТОПОЛОГИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА И УСТОЙЧИВОСТЬ К ДЕКОГЕРЕНЦИИ
Ключевая особенность майорановских квазичастиц — их связь с топологическими состояниями материи. Эти состояния устойчивы к локальным возмущениям благодаря своей «неразрывной» природе: попытка воздействовать на отдельные элементы системы приводит к перераспределению коллективных электронных конфигураций без разрушения структуры. Такая топологическая защита минимизирует декогеренцию — потерю квантовой информации из-за взаимодействия с окружающей средой, что критически важно для создания стабильных кубитов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ
Для генерации майорановских квазичастиц используются гибридные структуры. Например, нанопровода из арсенида индия (InAs) с сильной спин-орбитальной связью покрывают сверхпроводящим материалом, таким как алюминий. Под действием магнитного поля сверхпроводимость проникает в полупроводник, а на концах нанопровода возникают локализованные майорановские состояния. Их присутствие фиксируется через «нулевой пик проводимости», сигнализирующий о наличии состояний с нулевой энергией.
НЕЛОКАЛЬНОСТЬ И КУБИТЫ
В сверхпроводниках большинство электронов образуют куперовские пары, но неспаренный электрон, связанный с майорановскими квазичастицами, существует в нелокальном состоянии, распределённом между концами провода. Эта особенность, продемонстрированная Microsoft в эксперименте, описанном в журнале Nature, позволяет электрону быть одновременно связанным с двумя квазичастицами, что снижает чувствительность системы к локальным дефектам.
Успехи в управлении такими состояниями включают соединение двух нанопроводов, где дополнительный электрон переключается между ними, формируя суперпозицию — основу для топологического кубита. Как подчёркивает исследователь Microsoft Четан Наяк, подобные манипуляции открывают путь к реализации сложных квантовых операций с высокой защитой от внешних помех.
ПУТЬ К МАССШТАБИРОВАНИЮ
Microsoft считает, что топопроводники могут кардинально изменить представление о квантовых вычислениях, поскольку они устойчивы к ошибкам и позволяют масштабировать систему фактически без увеличения шумов. Это важно для задач, где нужны миллионы или миллиарды кубитов — например, в химии, фармакологии, криптографии и разработке новых материалов. Majorana 1 планируется интегрировать с платформой Azure Quantum, объединяя квантовые и классические вычисления и предоставляя бизнесу и исследователям мощный инструмент, ранее недоступный большинству компаний.
СОМНЕНИЯ И ДАЛЬНЕЙШИЕ ШАГИ
Однако научное сообщество далеко не полностью убеждено в успехе таких экспериментов. В 2018 году статью о фермионах Майораны в Nature отозвали из-за возражений по интерпретации результатов. Детальные данные проектов Microsoft недоступны широкому кругу специалистов, и пока нет доказательств, что миллионы нанопроводов можно массово и дёшево производить и что топологические кубиты стабильно работают в таких количествах. Поэтому на сегодня Majorana 1 выглядит скорее многообещающей теорией, чем готовым решением. Тем не менее Microsoft уверенно заявляет, что их топопроводниковый чип — ключ к созданию действительно масштабируемого квантового компьютера.
ИСТОЧНИКИ
• Microsoft News: https://news.microsoft.com/source/features/innovation/microsofts-majorana-1-chip-carves-new-path-for-quantum-computing/
• Wikipedia (Topological Superconductor): https://en.wikipedia.org/wiki/Topological_superconductor
• Wikipedia (Majorana 1): https://en.wikipedia.org/wiki/Majorana_1
• Habr: https://habr.com/ru/news/t/706813/
• Sputnik Armenia: https://arm.sputniknews.ru/science/20250220/19331756/microsoft-kvantoviy-chip-novaya-epokha.html
• Rozetked: https://rozetked.me/news/17256-microsoft-majornaya-1
Microsoft has introduced a new revolutionary material and, based on it, created the Majorana 1 quantum chip. According to the company, this could usher in a new era of computing—a breakthrough comparable to the advent of semiconductors. It was semiconductors, discovered by Michael Faraday in 1833, that ultimately led to today’s phones, laptops, and other electronics. Now, however, Microsoft is talking about “topoconductors”—materials that could bring quantum computing to a fundamentally new level of scalability as early as 2025.
Microsoft states that just as semiconductors once powered the entire modern electronics industry, topoconductors will enable the creation of systems with millions of qubits capable of solving the most complex industrial and social problems. According to the company, Majorana 1 addresses the two main issues in quantum computing at once: scalability and the increase in error rates. Development took 20 years. Typically, when the number of qubits grows, errors multiply exponentially; however, in Microsoft’s view, a topoconducting architecture keeps this growth minimal and, in theory, could reach billions of qubits without major losses in accuracy. Moreover, the chip itself can fit in the palm of your hand. Microsoft’s CEO says that fully functional quantum computers based on Majorana 1 may appear not in decades but within just a few years.
ON QUBITS AND THE TOPOLOGICAL QUANTUM APPROACH
In most modern quantum devices, qubits are formed using superconducting circuits, ions, or photons. Such qubits are extremely sensitive to any environmental noise. To remain operational, they generally must be cooled to near absolute zero and require complex error-correction methods. The more qubits you have, the harder they are to manage, and the greater the risk of decoherence.
Instead, Microsoft proposes using topoconductors (or topological superconductors). In these materials, information is encoded not in a particle’s delicate quantum state but in its topological characteristics, which makes them far more resistant to small disturbances. As a result, even if a large number of qubits is produced, the error rate should not spike sharply. Microsoft believes that reaching a million qubits on a single chip is entirely feasible.
TOPOLOGICAL STATES AND MAJORANA FERMIONS
Majorana quasiparticles, predicted by Ettore Majorana in the 1930s, are unique objects that are their own antiparticles. In solid-state physics, quasiparticles model the collective behavior of numerous particles in a material. For instance, phonons represent quantized lattice vibrations that affect properties such as thermal conductivity and superconductivity. In superconductors, electrons can pair up via interactions with phonons to form Cooper pairs, which behave like bosons.
In solid-state systems, Majorana fermions do not appear as free particles but rather as collective excitations in materials such as topological superconductors. Like phonons (quantized lattice vibrations) or Cooper pairs (bound electron states in superconductors), these quasiparticles model collective particle behavior that defines material properties, including thermal conductivity and superconductivity.
TOPOLOGICAL PROTECTION AND RESISTANCE TO DECOHERENCE
A key feature of Majorana quasiparticles is their connection to topological states of matter. Such states are robust against local disturbances due to their “inseparable” nature: any attempt to affect individual elements of the system results in a redistribution of collective electron configurations without destroying the overall structure. This topological protection minimizes decoherence—the loss of quantum information caused by interaction with the surrounding environment—which is critical for building stable qubits.
EXPERIMENTAL IMPLEMENTATION
Researchers use hybrid structures to generate Majorana quasiparticles. For example, an indium arsenide (InAs) nanowire with strong spin-orbit coupling can be coated with a superconducting material such as aluminum. Under a magnetic field, superconductivity “bleeds” into the semiconductor, and localized Majorana states appear at the ends of the nanowire. Their presence is indicated by a “zero-bias conductance peak,” which signals the existence of zero-energy states.
NONLOCALITY AND QUBITS
In superconductors, most electrons form Cooper pairs. However, an unpaired electron linked to Majorana quasiparticles occupies a nonlocal state spanning both ends of the wire. As demonstrated by Microsoft in an experiment reported in Nature, this feature allows the electron to be simultaneously bound to two quasiparticles, making the system less sensitive to local defects.
Successes in controlling such states include connecting two nanowires, where the extra electron transitions between them and forms a superposition—critical for a topological qubit. As Microsoft researcher Chetan Nayak emphasizes, these manipulations pave the way for advanced quantum operations with a high degree of protection from external noise.
THE PATH TO SCALING
Microsoft believes topoconductors can radically change our approach to quantum computing because they resist errors and enable scaling with virtually no increase in noise. This is vital for tasks requiring millions or even billions of qubits—from challenges in chemistry and pharmacology to cryptography and the development of new materials. The company plans to integrate Majorana 1 with its Azure Quantum platform, combining quantum and classical computing and offering businesses and researchers a powerful new tool that was previously out of reach for most organizations.
DOUBTS AND FUTURE STEPS
Still, the scientific community has not been fully won over. In 2018, an article on Majorana fermions in Nature was retracted due to questions surrounding the interpretation of the results. Detailed data from Microsoft’s projects are not widely available, and skeptics point out that it remains unproven whether millions of nanowires can be mass-produced inexpensively or that topological qubits will work reliably in such large quantities. For now, Majorana 1 appears more like a promising theory than a ready-to-use solution. Nevertheless, Microsoft insists that its topoconducting chip is the key to developing a truly scalable quantum computer.
SOURCES:
• Microsoft News: https://news.microsoft.com/source/features/innovation/microsofts-majorana-1-chip-carves-new-path-for-quantum-computing/
• Wikipedia (Topological Superconductor): https://en.wikipedia.org/wiki/Topological_superconductor
• Wikipedia (Majorana 1): https://en.wikipedia.org/wiki/Majorana_1
• Habr: https://habr.com/ru/news/t/706813/
• Sputnik Armenia: https://arm.sputniknews.ru/science/20250220/19331756/microsoft-kvantoviy-chip-novaya-epokha.html
• Rozetked: https://rozetked.me/news/17256-microsoft-majornaya-1
No comments:
Post a Comment