Что такое Majorana 1
В феврале 2025 года компания Microsoft объявила о создании чипа Majorana 1, который может стать революцией в области квантовых вычислений.
В основе чипа лежит новая архитектура, использующая топологические кубиты. Чтобы понять, что это такое, разберемся сначала с обычными кубитами.
Кубит — это единица информации квантового компьютера. В отличие от битов, которые могут быть либо 0, либо 1, кубит может находиться в состоянии суперпозиции — то есть одновременно быть и 0, и 1. Это позволяет квантовым компьютерам решать задачи гораздо быстрее, чем классические.
Но у квантов есть проблема: они очень чувствительны к внешнему воздействию. Малейшее изменение температуры, электромагнитное поле или даже слабая вибрация могут нарушить их состояние и вызвать ошибки в вычислениях.
Microsoft разрабатывает топологические кубиты, которые потенциально устойчивы к ошибкам. Главная особенность его подхода — использование топологического сверхпроводника. Это особое состояние материи, в котором информация защищена от внешних помех на физическом уровне. Ключевая идея — создание майорановских квазичастиц. Это особые квантовые состояния, которые могут быть использованы для хранения и обработки информации так, чтобы она не разрушалась при взаимодействии с окружающей средой.
Microsoft надеется, что такие кубиты позволят создать мощные квантовые компьютеры, где на одном чипе будут миллионы кубитов, а не десятки или сотни, как сейчас. 19 февраля 2025 года компания опубликовала промежуточные результаты в журнале Nature. Исследователи провели эксперимент с нанопроводом из арсенида индия (очень тонким проводником, который обладает особыми квантовыми свойствами). Они пытались создать майорановские квазичастицы, которые могут обеспечить большую стабильность кубитов.
В обычном сверхпроводнике электроны объединяются в пары. В эксперименте Microsoft удалось создать одиночный электрон, который вел себя необычно: он существовал одновременно в двух местах — на концах нанопровода. Затем ученые соединили два таких нанопровода, и электрон оказался в суперпозиции — как будто он сразу в обоих проводах.
Этот эксперимент помогает проверить, можно ли использовать майорановские квазичастицы для создания по-настоящему надежных кубитов. Если это удастся, квантовые компьютеры станут не просто экспериментальными устройствами, а полноценными машинами, которые смогут решать задачи, недоступные современным суперкомпьютерам. Однако пока Microsoft не доказала, что ее метод действительно работает.
Microsoft ведет исследования в этом направлении уже более десяти лет. В 2018 году компания объявила о первых успешных экспериментах с фермионами Майораны в полупроводниковых нанопроводах. А в 2023-м ученые компании разработали усовершенствованные материалы, позволяющие стабилизировать майорановские состояния. Все эти исследования легли в основу создания Majorana 1, который обещает совершить прорыв в квантовых вычислениях.
Что такое фермионы Майораны
Фермионы Майораны — это гипотетические частицы, предсказанные в 1937 году итальянским физиком Этторе Майораной. Их главная особенность заключается в том, что они являются своими собственными античастицами. Обычно у каждой элементарной частицы есть античастица — ее зеркальный двойник с противоположными свойствами. Например, у электрона есть позитрон: если они встретятся, то уничтожат друг друга в процессе, называемом аннигиляцией.
Но Майорана предположил, что может существовать особый вид частиц, которым не нужна пара-античастица, потому что они уже содержат в себе свойства и частицы, и античастицы. Это предположение долго оставалось чисто теоретическим, но в последние десятилетия появились экспериментальные намеки на существование подобных частиц.
Однако в физике есть различие между реальными частицами и квазичастицами. Фермионы, как, например, электроны или нейтрино, — это реальные элементарные частицы, из которых состоит материя. Квазичастицы же — это коллективные явления, которые ведут себя как частицы, но не являются независимыми объектами. Они возникают внутри материалов, когда множество частиц взаимодействуют друг с другом.
Хотя сами фермионы Майораны еще не были обнаружены в природе, ученые нашли их аналоги — майорановские квазичастицы — в особых материалах, таких как топологические сверхпроводники. Это означает, что в этих материалах возникают состояния, которые ведут себя как фермионы Майораны. В 2012 году физики из Дании и Нидерландов впервые обнаружили признаки таких состояний в нанопроводах, сделанных из индий-антимонидного сплава. С тех пор аналогичные эксперименты были проведены в других лабораториях, но пока результаты не дают полной уверенности.
Майорановские квазичастицы могут сыграть важную роль в квантовых вычислениях. Одной из основных проблем квантовых компьютеров является нестабильность кубитов. Малейшие внешние воздействия, такие как тепло или электромагнитные поля, могут нарушить их работу. Майорановские квазичастицы могут помочь создать топологические кубиты, которые будут намного более устойчивыми к таким воздействиям.
Если этот подход подтвердится, то квантовые компьютеры станут гораздо более надежными, и их массовое использование вскоре окажется реальностью. Несмотря на то, что фермионы Майораны остаются гипотетическими частицами, их аналоги в виде майорановских квазичастиц уже наблюдаются в экспериментах и могут стать основой для будущих квантовых технологий.
Почему создание Majorana 1 — это прорыв
Создание Majorana 1 стало громким событием в мире квантовой науки, поскольку оно представляет собой не просто новый этап в исследовании майорановских квазичастиц, а переход от теории к практическому применению. Если раньше существование таких состояний оставалось предметом дискуссий, то теперь Microsoft продемонстрировала возможность их контролируемого создания и манипуляции ими в полупроводниковых наноструктурах. Это достижение открывает дорогу к построению принципиально нового типа квантовых компьютеров, в которых информация будет защищена от внешних возмущений на фундаментальном уровне.
Главная ценность Majorana 1 заключается в том, что он впервые объединяет все ключевые элементы: использование топологического сверхпроводника, стабилизацию майорановских состояний и их интеграцию в вычислительную систему. Ученые теперь могут не только наблюдать такие квазичастицы, но и тестировать их поведение в условиях, приближенных к реальным вычислительным процессам. Если дальнейшие эксперименты подтвердят работоспособность этой архитектуры, она станет основой для создания отказоустойчивых кубитов, которые смогут сохранять информацию в течение гораздо более длительного времени, чем существующие решения.
Прорыв также имеет широкие последствия для фундаментальной физики. Майорановские состояния долгое время оставались лишь гипотезой, и их экспериментальное подтверждение позволяет глубже понять топологические свойства материи. Это может привести к открытиям за пределами квантовых вычислений, например, к созданию новых типов сверхпроводников. В конечном счете, Majorana 1 — это не просто шаг вперед для Microsoft, а важный рубеж для всей науки, который может повлиять на развитие технологий в самых разных областях.
➤ Подписывайтесь на телеграм-канал «РБК Трендов» — будьте в курсе последних тенденций в науке, бизнесе, обществе и технологиях.