Как известно, в феврале 2025 года научная группа Microsoft Quantum анонсировала процессор Majorana 1 как «первый в мире квантовый процессор на топологических кубитах» (статья в Nature).
Топологический кубит состоит из энионов — двухмерных квазичастиц, которые физики обнаружили несколько лет назад. Энионы ещё не вошли в школьную программу, чтобы дополнить комплект из фермионов (например, к ним относятся электроны) и бозонов (к ним относятся фотоны) как третий класс элементарных частиц и квазичастиц в физике.
До настоящего времени мало кто интересовался, что такое энионы, этот вопрос занимал разве что теоретических физиков. Но Microsoft утверждает, что уникальные 2D-частицы можно использовать для квантовых вычислений, а именно для конструирования «особо надёжных» топологических кубитов.
Количество кубитов имеет значение
Для начала вкратце напомним, что такое кубит и почему квантовые вычисления на кубитах экспоненциально эффективнее обычных вычислений на битах. В отличие от бинарных битов, кубит принимает не два состояния (0 и 1), а бесконечное число возможных состояний между 0 и 1, что открывает двери для эффективного решения некоторых классов задач. Поэтому некоторые задачи квантовый процессор (QPU) решает на много порядков быстрее, чем обычный CPU. Хотя таких задач мало, узкая ниша для QPU всё равно остаётся — и отдельные производители уже освоили производство и продажу квантовых компьютеров с небольшим количество кубитов (до нескольких сотен). Например, в 2024 году компания Google представила квантовый процессор Willow со 105 кубитами.
Также разработаны новые языки программирования, которые оптимально подходят для реализации квантовых алгоритмов. На сегодняшний день известен уже 71 квантовый алгоритм (в 2013 году было только 45).
Нужно отметить три момента:
- Производительность QPU напрямую зависит от количества работающих в нём кубитов.
- Для QPU используются разные типы кубитов: сверхпроводящие, ионы, фотоны. Сверхпроводящие кубиты основаны на электрических цепях из сверхпроводящих материалов, которые имеют два дискретных энергетических уровня. Сверхпроводящие кубиты используются в квантовых компьютерах IBM, Google, Intel и Rigetti.
- Самая большая проблема QPU состоит в том, что квантовая запутанность очень легко разрушается минимальным внешним воздействием, поэтому их приходится максимально изолировать от внешнего мира, и эта одна из самых сложных частей QPU.
Топологический кубит и энионы
Топологический кубит — это особый кубит, построенный с использованием энионов.
В свою очередь, энионы — квазичастицы, которые существуют в двумерных системах и отличаются по своему поведению от фермионов и бозонов. Существование энионов было впервые теоретически обосновано ещё в 1977 году группой норвежских физиков. На практике их существование подтвердили в 2020 году.
Таким образом, в физике появился третий класс элементарных частиц и квазичастиц — энионы, с рядом замечательных свойств. Кроме существования в 2D-пространстве, они могут нести заряд меньший, чем элементарный заряд электрона.
Рис. 1. Картина интерференции энионов — «пижамная диаграмма»/ Nakamura, Manfra et al., Nature Physics, 2020 / Автор: Visellia Orfius, источник
Идея топологических кубитов из энионов возникла в результате фундаментальной работы Алексея Китаева, Майкла Фридмана и других авторов, начатой в конце 90-х. Но на практике топологические кубиты оказалось сложнее создавать и контролировать, чем обычные.
Большой интерес к топологическим кубитам, которые состоят из энионов, объясняется просто: они по своей природе более устойчивы к декогеренции, чем обычные кубиты. В топологической решётке (на рисунках ниже) операции зависят не от запутанности одиночных кубитов, а от измерений во всей решётке. Это работает примерно как система коррекции ошибок.
Сама физика топологической системы с энионами обеспечивает лучшую устойчивость, в то время как с обычными кубитами приходится кропотливо разрабатывать устойчивость системы на программном уровне (через квантовую отказоустойчивость).
Что представила Microsoft на самом деле
В научной статье и пресс-релизе компания Microsoft утверждает, что построила первый в мире топологический кубит. Однако в рецензии Nature (Peer Review File) есть следующий поразительный отрывок:
«Редакционная коллегия хотела бы отметить, что результаты, приведённые в этой рукописи, не являются доказательством наличия нулевых мод Майораны в представленных устройствах. Работа опубликована для представления архитектуры устройства, которая может позволить проводить эксперименты по синтезу с использованием будущих нулевых мод Майораны».
То есть Microsoft недвусмысленно заявляет о создании топологического кубита, и они опубликовали соответствующую работу в Nature, но их заявление о создании топологического кубита не прошло независимую оценку (пир-ревью).
Другими словами, в устройстве Microsoft на самом деле нет ни одного работающего кубита. Это лишь теоретическая работа, хотя она и описывает квантовые компьютеры, которые компания собирается построить.
Исследователи Microsoft провели реальный эксперимент с квазичастицами с демонстрацией квантового эффекта Холла и образованием двумерных энионов, заряд которых действительно меньше заряда электрона:
Рис. 2
На рис. 2 показано расцвеченное ложными цветами изображение со сканирующего электронного интерферометра под микроскопом. Синие области обозначают GaAs, в котором находится 2DES (двухмерная электронная система), а металлические затворы показаны жёлтым цветом. При работе в состоянии
= 1/3 квантового состояния Холла ток переносится квазичастицами, которые движутся в хиральных краевых состояниях (красные стрелки), а пунктирные стрелки указывают на обратные рассеянные пути квазичастиц, которые могут интерферировать. Квазичастицы (красные вихри) могут быть локализованы внутри камеры интерферометра, и обратно рассеянные траектории окружают эти квазичастицы, что делает интерферометр чувствительным к 
. Литографическая площадь составляет 1,0 мкм × 1,0 мкм.Исследователи также получили пижамную диаграмму с интерференцией на плато квантового эффекта Холла
= 1/3, аналогично диаграмме на рис. 1:
Рис. 3
Это все результаты, описанные в научной работе. Больше там ничего нет, никакого «квантового процессора». А вот в пресс-релизе этот теоретический процессор действительно описывается, но только в виде предположений.
Нулевые моды Майораны
Топологические кубиты в архитектуре Microsoft строятся на нулевых модах Майораны (MZM, Majorana zero modes). В этой архитектуре кубиты представляют собой тетроны, которые хранят своё состояние в четырёх MZM, см. рис. 6 ниже.
Нулевые моды Майораны — строительные кирпичики для топологических кубитов.
В предложенной архитектуре MZM расположены на концах двух топологических сверхпроводников из полупроводниковой нанопроволоки.
Рис. 4. Устройство полупроводниковой нанопроволоки со сверхпроводимостью, источник
Важно понимать, что Microsoft впервые заявила об успешном построении MZM в 2018 году, но затем признала ошибочность своего заявления и отозвала его. Журнал Nature также отозвал эту публикацию из печатной и онлайновой версии своего издания:
Рис. 5
И это не единственный «фейк». Такие липовые статьи Microsoft о топологических кубитах публикуются регулярно, так что в определённых научных кругах их уже не воспринимают всерьёз. Есть мнение, что они регулярно публикуются лишь для привлечения грантов и инвестиций.
Это лишь добавляет скепсиса относительно новой научной работы, опубликованной в 2025 году. У неё те же авторы, что и в прошлый раз, а один из рецензентов — главный автор прошлых отозванных статей.
Сейчас физики тоже выражают пессимизм относительно реалистичности практического использования описанных технологий. По их мнению, предстоит ещё очень долгий путь, чтобы сконструировать реальные квантовые процессоры на топологических кубитах, которые по своей природе более устойчивы к декогеренции, чем обычные кубиты, как уже было сказано выше.
Планы
В другой научной публикации Microsoft опубликовала план (roadmap) по разработке топологических кубитных массивов разной архитектуры, всё более сложной. Надо понимать, что это всего лишь планы, тогда как в реальности Microsoft создала лишь устройство, изображённое на рис. 2.
На первой панели рис. 6 изображено однокубитное устройство. Тетрон образован двумя параллельными топологическими проводами (синий) с MZM на каждом конце (оранжевая точка), соединёнными перпендикулярным сверхпроводящим проводом (светло-голубой). В областях около MZM расположены квантовые точки (QD), показанные тёмно-фиолетовым цветом, с затворами (светло-фиолетовый), которые управляют туннелированием между QD и MZM.
Рис. 6
На второй панели показано двухкубитное устройство, поддерживающее «преобразования со сплетением» (braiding transformations) на основе измерений для клиффордовых операций.
На третьей панели рис. 6 — массив тетронов 4×2 с квантовым обнаружением ошибок на двух логических кубитах. Эти демонстрации ведут к квантовому исправлению ошибок, как в устройстве на правой панели (массив тетронов 27×13). Красными рамками выделены два логических кубита. Устройство совместимо с демонстрациями хирургии решётки (lattice surgery). В синей рамке двухкубитная плитка, идентичная устройству на второй панели. Между третьей и четвёртой панелью могут быть реализованы промежуточные этапы.
Рис. 7 Схема затвора в одноквантовом устройстве
Microsoft предлагает масштабируемый дизайн с коррекцией ошибок. Если такие устройства действительно получится построить, это будут первые в мире компьютеры на топологических кубитах, которые по своей природе более устойчивы к декогеренции.
С другой стороны, компьютерная индустрия уже несколько десятилетий работает с традиционными кубитами. IBM, Google, Intel выпускают QPU с сотнями сверхпроводящих кубитов, так что топологическим устройствам будет очень сложно догнать их, только если они продемонстрирует на порядок лучшие характеристики, что маловероятно.
Нужно ещё заметить, что кроме Microsoft абсолютно никто не развивает это направление исследований. В то же время в пресс-релизе Microsoft прогнозируется создание квантовых компьютеров с «миллионами топологических кубитов». Если это действительно воплотится в жизнь, то Microsoft резко вырвется с последнего места в мировые лидеры в области квантовых вычислений.
Микросхемы для Сверхинтеллекта
Взрывной рост производительности квантовых компьютеров придётся как нельзя кстати для вычислительных потребностей будущего AI. Он уже сейчас конструирует микросхемы, непонятные для человека (и более эффективные), а также превосходит людей во многих интеллектуальных задачах. Однако для полноценной работы Сверхинтеллекта нужно на порядок больше производительности.
Благодаря ИИ индустрия микроэлектроники сейчас получила второе дыхание: появился реальный стимул выпускать более производительные процессоры (GPU и TPU для дата-центров), а также строить более мощные дата-центры. Бум строительства ЦОДов мы и наблюдаем сейчас по всему миру. Кроме РФ, где при дефиците стойкомест масштабные стройки новых дата-центров не ведутся.
С другой стороны, есть пример Китая, который построил сотни огромных дата-центров, но они загружены только на 20% в отсутствие подходящих задач. Вероятно, план компартии на пятилетку немного опередил реальность. Это примерно как в Беларуси построили АЭС, а теперь не знают, куда деть излишки электричества.
По мнению одного из отцов современных нейросетей Ильи Суцкевера, появления Сверхинтеллекта и технологической сингулярности можно ожидать в ближайшие десятилетия. Вероятно, ИИ будет без человеческого участия принимать важные решения, в том числе о строительстве новых дата-центров и солнечных панелей, чтобы обеспечить энергией себя и людей. Также как человек любит своих кошек и собак, но не советуется с ними по существенным вопросам (это слова Суцкевера).
© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻
