Квантовый скачок или прыжок веры? Microsoft заявила о прорыве в создании «вечных» кубитов

Корпорация Microsoft представила новый квантовый вычислительный чип, кубиты которого, по заявлениям компании, способны сохранять квантовое состояние в 1000 раз дольше, чем у предыдущей модели. Это, как утверждают в Microsoft, прокладывает путь к созданию надежных квантовых компьютеров уже к 2029 году. Однако далеко не все ученые готовы верить этим заявлениям.

Экспериментальный квантовый процессор (QPU) под названием Majorana 2 представляет собой матрицу из четырех кубитов, среднее время жизни которых составляет 20 секунд, а в отдельных случаях достигает минуты. Это колоссальный шаг вперед по сравнению с типичными показателями времени когерентности — периода, в течение которого кубиты запутаны и могут выполнять параллельные вычисления. Обычно это время измеряется миллисекундами (тысячными долями секунды).

Новый чип может поставить ученых на путь создания коммерчески жизнеспособного квантового компьютера к 2029 году — то есть вдвое сократить сроки, которые исследователи ожидали изначально, заявили представители Microsoft. Результаты работы ученых, трудившихся над новым процессором, изложены в препринте исследования от 2 июня, которое пока не прошло рецензирование.

«Нам необходимо ежегодно добиваться улучшений, которые приблизят нас к созданию компьютера, обладающего, как мы уверены, колоссальной коммерческой и общественной ценностью, — заявил технический сотрудник Microsoft Четан Наяк. — Мы должны продолжать двигаться по этой дорожной карте. Но где мы находимся по сравнению с прошлым годом? Мы стали в 1000 раз лучше».

Несмотря на заявленный прогресс по сравнению с первым чипом Majorana 1, эксперты ставят под сомнение работу Microsoft в этой специфической нише квантовых исследований, называемой топологическими квантовыми вычислениями. Они и ранее задавались вопросом, доказана ли вообще лежащая в основе технология, и призывали к расширению доказательной базы относительно заявленного времени когерентности кубитов.

Топологические кубиты нового поколения

Предшественник Majorana 2 был представлен в феврале прошлого года. Оба чипа базируются на теории 90-летней давности, выдвинутой итальянским физиком Этторе Майораной, согласно которой частица может быть своей собственной античастицей. Это означает, что она либо аннигилирует сама себя с мощным выбросом энергии, либо стабильно сосуществует в паре, что позволяет хранить квантовую информацию в виде кубита.

Поскольку частицы Майораны не встречаются в природе, значительная часть исследований, включая предыдущие находки Microsoft, сосредоточена на том, чтобы «подтолкнуть» их к появлению. При правильных условиях кубиты в этих чипах могут достигать «топологического» состояния материи — специфической фазы, в которой атомы запутаны на больших расстояниях, — что позволяет использовать законы квантовой механики для параллельной обработки единиц и нулей вычислительных данных.

На запуске Majorana 1 представители компании заявляли, что эти кубиты более стабильны, компактнее, лучше масштабируются и потребляют меньше энергии, чем кубиты из сверхпроводящих металлов — такие, какие обычно используются в квантовых системах компаний IBM, Google и других.

В первом чипе Majorana кубиты состояли из материального стека, объединяющего полупроводник из арсенида индия (применяемого, например, в приборах ночного видения) с алюминиевым сверхпроводником. Это формирует «топопроводник» — топологический сверхпроводник, чьи кубиты хранятся в форме самого материального стека. Каждый кубит состоит из двух сверхпроводящих нанопроволок, оканчивающихся майорановскими нулевыми модами (MZM) — строительными блоками топологических кубитов, хранящих информацию через четность или нечетность количества электронов в проволоке топопроводника.

В Majorana 2 алюминий заменили свинцом, чтобы экранировать хрупкие кубиты от таких помех, как электромагнитные волны или космическое излучение. В качестве полупроводника ученые заменили арсенид индия на комбинацию арсенида индия и антимонида индия-арсенида. Это изменение удвоило «топологический зазор» — физический барьер, защищающий кубиты от шума окружающей среды и ошибок во время вычислений. Оно же привело к значительному повышению стабильности и надежности: время квантовой когерентности увеличилось с 1–12 миллисекунд у Majorana 1 до в среднем 20 секунд (с максимальной продолжительностью жизни до 1 минуты), говорится в исследовании.

ИИ в роли конструктора атомов и споры в научном сообществе

Ключевые компоненты Majorana 2 проектировались атом за атомом, поэтому ученым требовалось вводить примеси в виде других материалов в кристаллическую структуру, чтобы зафиксировать каждый атом на своем месте. Но добавление слишком большого количества примесей или внесение их неправильным способом разрушило бы структуру. Чтобы поместить примеси в нужные позиции, ученые обратились к искусственному интеллекту.

«Поиск точного рецепта, нужного количества для получения желаемой энергетической структуры, в старом миропорядке требовал массы экспериментов. В новом миропорядке с помощью симуляций можно увидеть, где находится высоковероятная цель, а затем, обладая этим знанием, в идеале провести эксперимент всего один раз», — пояснил Зульфи Алам, корпоративный вице-президент по квантовым технологиям Microsoft.

Используя платформу Microsoft Discovery, ученые задействовали ИИ-агентов для отслеживания сложных межэлементных связей при проектировании Majorana 2, где изменения в любой из составляющих — программном обеспечении, архитектуре, дизайне, стеке материалов, производственных процессах, измерениях — влекли за собой последствия для всех остальных элементов. В проекте также использовались данные почти за два десятилетия в самых разных форматах, разрозненные по разным хранилищам. ИИ-агенты сумели заново синтезировать эти данные и установить связи между разрозненными фрагментами информации. ИИ также сократил время проведения экспериментов с недель «на несколько порядков», сообщил Алам.

Однако не всё научное сообщество разделяет оптимизм Microsoft. Физики уже ставили под сомнение то, насколько исследователям удалось доказать присутствие майорановских нулевых мод в устройстве после выхода Majorana 1. Другие ученые, включая Сергея Фролова, исследователя квантовых вычислений из Питтсбургского университета, в беседе с Scientific American отметили, что достоверность представленных в новом исследовании данных еще предстоит доказать. Фролов указал на то, что предыдущий препринт Microsoft подобного рода так и не был опубликован, то есть не прошел рецензирование.