19 февруари 2025 г. е ден, в който човечеството прави огромен скок в своя технологичен прогрес.
Microsoft представиха Majorana 1 – първият в света квантов чип, който използва нова топологична архитектура (Topological Core). Компанията вярва, че тази технология ще направи възможна реализацията на квантови компютри, които могат да решават сложни индустриални проблеми само за няколко години, вместо за десетилетия.
Какво прави Majorana 1 толкова революционен?
Чипът използва топокондуктор (topoconductor) – напълно нов тип материал, който може да наблюдава и контролира частиците на Майорана (Majorana particles). Тази иновация позволява създаването на по-надеждни и лесно мащабируеми кубити – основните градивни елементи на квантовите компютри.
Какво е кубит?
Тук правим кратко отклонение, за да поясним каквое кубит за тези, които тепърва срещат това понятие:
Кубит (qubit) е основната единица информация в квантовите компютри, аналогична на бита в класическите компютри. Докато класическият бит може да има само две стойности – 0 или 1, кубитът може да съществува в множество състояния едновременно благодарение на суперпозиция и преплитане – основни свойства на квантовата механика.
Основни характеристики на кубита:
- Суперпозиция – Кубитът може да бъде едновременно 0 и 1 с определена вероятност, което позволява квантовите компютри да извършват множество изчисления паралелно.
- Преплитане (entanglement) – Два или повече кубита могат да бъдат квантово преплетени, което означава, че състоянието на единия автоматично влияе върху състоянието на другия, независимо от разстоянието между тях.
- Квантова интерференция – Кубитите могат да комбинират вероятностите на различни състояния по начин, който засилва правилните отговори и намалява грешните.
Защо кубитите са революционни?
- Позволяват експоненциално по-бързи изчисления в сравнение с класическите компютри.
- Подходящи са за сложни задачи, като криптография, симулации на молекули и оптимизационни проблеми.
- Не работят по класически двоичен начин (0 или 1), а използват квантови ефекти за по-ефективна обработка на данни.
Как се създават кубити?
- Свръхпроводникови вериги – използват се в квантовите процесори на IBM и Google.
- Йонни капани – използвани в квантовите системи на IonQ.
- Топологични кубити – нова технология, разработвана от Microsoft с Majorana частици за по-стабилни квантови изчисления.
В обобщение: Кубитите правят възможни квантовите компютри, които имат потенциала да решават задачи, невъзможни за класическите компютри.
Връщаме се към новината:
Така както изобретяването на полупроводниците доведе до появата на смартфони, компютри и електроника, топокондукторите, новият тип чип, който става възможен за реализация, разкрива пътя към изграждането на квантови системи с милион кубити. Такива системи ще могат да се справят със сложни индустриални и научни предизвикателства, невъзможни за днешните компютри.
„Направихме крачка назад и си зададохме въпроса: ‘Какъв трябва да бъде транзисторът на квантовата епоха?’“, казва Четан Наяк, технически съветник в Microsoft. „Така стигнахме дотук – благодарение на специфичната комбинация, качеството и важните детайли в нашите нови материали, които ни позволиха да създадем нов вид кубит и напълно нова архитектура.“
Мащабиране на квантовите изчисления
От Microsoft подчертават, че новата архитектура на Majorana 1 ще позволи разполагането на милион кубити върху един-единствен чип, достатъчно малък, за да се побере в дланта на ръката. Това е критичен праг, който трябва да бъде достигнат, за да могат квантовите компютри да предоставят реални решения с трансформиращ ефект.
Възможностите на квантовите изчисления с милион кубити включват:
- Разграждане на микропластмаси до безвредни съединения.
- Разработване на самовъзстановяващи се материали за строителството, производството и здравеопазването.
- Оптимизация на химични процеси и разкриване на нови катализатори за намаляване на въглеродните емисии.
„Ако не разполагате с ясен път към милион кубити, ще се сблъскате със сериозни ограничения преди да стигнеш до мащаба, необходим за решаване на реално значими проблеми“, допълва Наяк. „Ние вече разполагаме с ясен план за това.“
Как работи топокондукторът?
Топокондукторът (или топологичен свръхпроводник) е напълно ново състояние на материята – различно от твърдо, течно или газообразно състояние. Той се използва за създаване на по-стабилни кубити, които са по-бързи, по-малки и могат да бъдат цифрово контролирани.
Изследване, публикувано в списание Nature, описва как Microsoft успяват да създадат топологичен кубит и да измери неговите екзотични квантови свойства – критична стъпка за практическото приложение на квантовите компютри.
Новият квантов чип и неговият потенциал
- Majorana 1 е създаден с помощта на нова материална структура от индиев арсенид и алуминий, разработена от Microsoft атом по атом.
- Частиците на Майорана, които не съществуват естествено, могат да бъдат създадени с помощта на магнитни полета и свръхпроводници.
- Новата архитектура на чипа е устойчива на грешки, което означава по-стабилни квантови изчисления.
Какво означава това за индустрията?
Квантовите компютри с милион кубити ще могат да решават задачи, които са извън възможностите на съвременните компютри, включително:
- Разработване на нови, по-устойчиви материали за строителството, самолетостроенето и автомобилната индустрия.
- Създаване на по-ефективни катализатори, които могат да разграждат замърсители и микропластмаси.
- Оптимизиране на ензимните реакции, което може да доведе до революция в здравеопазването и селското стопанство.
„Квантовият компютър може да научи изкуствения интелект как работи природата и да даде готови решения, без нужда от години експерименти“, казва Матияс Тройер, технически съветник в Microsoft. „Всеки производител ще може просто да проектира своя продукт перфектно от първия път.“
Квантовите изчисления и бъдещето
- Кубитите са квантовите еквиваленти на битовете в класическите компютри.
- Основното предизвикателство е, че кубитите са нестабилни и податливи на грешки.
- Microsoft избра да развива топологични кубити, защото те изискват по-малко корекции на грешките и предлагат по-голяма скорост и контролируемост.
Microsoft е една от двете компании, които преминават към последната фаза на DARPA програмата за комерсиални квантови изчисления. Това е част от мащабната инициатива на американската правителствена агенция за изграждане на първия в света комерсиално значим квантов компютър.
Заключение
Majorana 1 е голям пробив в квантовите технологии. Microsoft залага на стратегия, която комбинира иновативен хардуер, квантова механика и изкуствен интелект. Чрез разработването на нови материали атом по атом, компанията е създала архитектура, която предлага реален път към квантови компютри с милион кубити – и това може да се случи само в рамките на няколко години.
„Откриването на ново състояние на материята е едно нещо,“ казва Наяк. „Но да го използваш, за да преосмислиш квантовите изчисления в индустриален мащаб – това е истинската иновация.“
