IBM и Google в панике: как топологические кубиты в корне изменят будущее компьютеров?
Словосочетание «квантовые компьютеры» звучит как научная фантастика, однако теперь они вполне реальны. Впервые их идея появилась в 80-х годах прошлого века. Именно тогда физик Ричард Фейнман предложил использовать квантовые эффекты для моделирования сложных систем, таких как молекулы.
Если говорить совсем просто, то обычный компьютер работает с битами (0 или 1), а квантовый использует кубиты — квантовые биты. Чтобы понять отличие, надо прибегнуть к аналогии. Представьте стрелку компаса: обычный бит указывает только на север (0) или юг (1), а кубит может вращаться в любом направлении одновременно. Это называется суперпозицией.

Суперпозиция в квантовом компьютере
Но это только начало. Кубиты также могут и любят… запутываться. Причем их состояния становятся взаимосвязанными, даже если они находятся на расстоянии друг от друга.
Например, если один кубит-близнец поворачивается влево, второй мгновенно поворачивается вправо, независимо от того, сколько километров их разделяет. Гениальный Альберт Эйнштейн называл это «жутким действием на расстоянии», но именно оно позволяет квантовым компьютерам обрабатывать информацию с невероятной скоростью.
Суперпозиция и запутанность — это главные козыри квантовых компьютеров. Благодаря этим бонусам они способны решать задачи, которые обычным компьютерам не под силу.
К примеру, квантовые компьютеры отлично ломают шифры. Современная криптография (например, RSA) основана на сложности разложения больших чисел на множители. Обычному компьютеру на это потребуются тысячелетия, а квантовому — минуты.
А еще квантовым ЭВМ нет равных в разработке новых лекарств. Моделирование молекулярных взаимодействий требует огромных вычислений. Квантовые алгоритмы ускорят поиск новых препаратов.
Ну и, конечно, конек квантовых компьютеров — это оптимизация логистики. Маршруты доставки, управление энергосетями и прочее на квантовых вычислениях оптимизируется в разы быстрее.
Но у кубитов есть один огромнейший минус. Они невероятно нежные и чувствительные. Что поделать: квантовое состояние — чуть ли не самая хрупкая вещь во Вселенной. Любое взаимодействие с внешним миром — тепло, свет, вибрация — разрушает кванты. Физики называют это деструктивное явление декогеренцией.
Поэтому ученые десятилетиями искали способы хоть как-то стабилизировать состояние кубитов. Экспериментировали с атомами, сверхпроводниками и даже светом.
На сегодняшний день есть сверхпроводящие кубиты. Их используют IBM и Google. Они работают при температурах, близких к абсолютному нулю (-273 °C) и напоминают миниатюрные чипы, охлаждаемые в гигантских холодильниках.
Также ученые используют ионные ловушки, которые удерживают заряженные атомы в вакууме с помощью лазеров. Такие системы стабильны, но их сложно масштабировать.
Фотонные кубиты используют частицы света, но управлять ими ещё труднее.
В 2023 году Microsoft заявила о прорыве: создании топологических кубитов на основе частиц Майораны. Эти частицы, предсказанные итальянским физиком Этторе Майораной в 1937 году, не существуют в природе. Они появляются только внутри особых материалов — топологических сверхпроводников. А они, в свою очередь, требуют сверхнизких температур и сложной инженерии.

Визуализация квантовой запутанности
С точки зрения физики, частицы Майораны — возбуждения в материале, которые ведут себя как элементарные частицы. Их уникальность в том, что они одновременно являются своими собственными античастицами. Представьте электрон, который при столкновении с самим собой не аннигилирует, а… остается электроном. Это свойство делает их идеальными кандидатами для стабильных кубитов.
Ученые компании создали пару нанопроводов из топологического сверхпроводника. На концах каждого провода возникают частицы Майораны. Значение кубита определяется положением электрона: в одном проводе — 0, в другом — 1. Чтобы измерить состояние, через провода пропускают микроволны — это как сканировать штрихкод, но на квантовом уровне.
И это реально огромный прорыв! Почему? Потому что, наконец, появилась устойчивость к ошибкам. В других системах кубиты «ломаются» от малейшего шума. Но частицы Майораны можно «переплетать» — менять их местами так, что информация защищается топологически (как узел на веревке, который нельзя развязать). Даже если система подвергается помехам, «плетение» сохраняет данные.
Но, увы, пока что в бочке с медом есть огромная ложка дегтя. Даже у Microsoft есть слабое место — операция T-gate, которая пока выполняется с ошибками. Это критично, ведь T-gate — один из базовых элементов квантовых вычислений. Компания уверяет, что исправлять такие ошибки проще, чем в других системах, но независимых подтверждений пока нет.
Надо сказать, Microsoft не первый игрок на поле. IBM и Google уже демонстрировали квантовые процессоры. Но амбиции Microsoft впечатляют: их процессор Majorana 1 должен содержать до миллиона кубитов. Для сравнения: современные квантовые компьютеры редко превышают 1000 кубитов.

Миллион кубитов помещаются на ладони, только вот заставить их работать — та еще задачка
На начало 2025 года самыми мощными квантовыми компьютерами являются: 1. IBM Quantum Condor (1121 кубитов); 2. Atom Computing (1180 кубитов). Остальные гораздо слабее.
Зачем вообще миллион кубитов? Дело в том, что именно столько нужно для выполнения реальных задач, например, для взлома RSA-2048. Пока что большинство кубитов тратятся на коррекции ошибок. Инженеры IBM или Google со вздохом признают, что один надежный «логический кубит» требует 1000 физических. Microsoft надеется обойти это ограничение благодаря топологической защите.
Но это потом, а пока компании Билла Гейтса предстоит решить массу невероятно трудных задач.
Во-первых, надо разобраться с температурой. Топологические сверхпроводники работают при долях градуса выше абсолютного нуля. Создать стабильную среду для миллиона кубитов — инженерный кошмар.
Во-вторых, надо что-то делать с масштабированием. Даже если один кубит стабилен, связать миллионы — это как построить город из идеальных кирпичей, которые нельзя трогать.
В-третьих, многое пока не ясно с частицами Майораны. Непонятно, сколько они живут и с какой эффективностью взаимодействуют в больших массивах.
Так что следите за новостями. Будет интересно…
Как работает квантовый компьютер?
Если говорить совсем просто, то обычный компьютер работает с битами (0 или 1), а квантовый использует кубиты — квантовые биты. Чтобы понять отличие, надо прибегнуть к аналогии. Представьте стрелку компаса: обычный бит указывает только на север (0) или юг (1), а кубит может вращаться в любом направлении одновременно. Это называется суперпозицией.

Суперпозиция в квантовом компьютере
Но это только начало. Кубиты также могут и любят… запутываться. Причем их состояния становятся взаимосвязанными, даже если они находятся на расстоянии друг от друга.
Например, если один кубит-близнец поворачивается влево, второй мгновенно поворачивается вправо, независимо от того, сколько километров их разделяет. Гениальный Альберт Эйнштейн называл это «жутким действием на расстоянии», но именно оно позволяет квантовым компьютерам обрабатывать информацию с невероятной скоростью.
Суперпозиция и запутанность — это главные козыри квантовых компьютеров. Благодаря этим бонусам они способны решать задачи, которые обычным компьютерам не под силу.
К примеру, квантовые компьютеры отлично ломают шифры. Современная криптография (например, RSA) основана на сложности разложения больших чисел на множители. Обычному компьютеру на это потребуются тысячелетия, а квантовому — минуты.
А еще квантовым ЭВМ нет равных в разработке новых лекарств. Моделирование молекулярных взаимодействий требует огромных вычислений. Квантовые алгоритмы ускорят поиск новых препаратов.
Ну и, конечно, конек квантовых компьютеров — это оптимизация логистики. Маршруты доставки, управление энергосетями и прочее на квантовых вычислениях оптимизируется в разы быстрее.
Но у кубитов есть один огромнейший минус. Они невероятно нежные и чувствительные. Что поделать: квантовое состояние — чуть ли не самая хрупкая вещь во Вселенной. Любое взаимодействие с внешним миром — тепло, свет, вибрация — разрушает кванты. Физики называют это деструктивное явление декогеренцией.
Поэтому ученые десятилетиями искали способы хоть как-то стабилизировать состояние кубитов. Экспериментировали с атомами, сверхпроводниками и даже светом.
На сегодняшний день есть сверхпроводящие кубиты. Их используют IBM и Google. Они работают при температурах, близких к абсолютному нулю (-273 °C) и напоминают миниатюрные чипы, охлаждаемые в гигантских холодильниках.
Также ученые используют ионные ловушки, которые удерживают заряженные атомы в вакууме с помощью лазеров. Такие системы стабильны, но их сложно масштабировать.
Фотонные кубиты используют частицы света, но управлять ими ещё труднее.
Топологические кубиты Microsoft — революция или риск?
В 2023 году Microsoft заявила о прорыве: создании топологических кубитов на основе частиц Майораны. Эти частицы, предсказанные итальянским физиком Этторе Майораной в 1937 году, не существуют в природе. Они появляются только внутри особых материалов — топологических сверхпроводников. А они, в свою очередь, требуют сверхнизких температур и сложной инженерии.

Визуализация квантовой запутанности
С точки зрения физики, частицы Майораны — возбуждения в материале, которые ведут себя как элементарные частицы. Их уникальность в том, что они одновременно являются своими собственными античастицами. Представьте электрон, который при столкновении с самим собой не аннигилирует, а… остается электроном. Это свойство делает их идеальными кандидатами для стабильных кубитов.
Ученые компании создали пару нанопроводов из топологического сверхпроводника. На концах каждого провода возникают частицы Майораны. Значение кубита определяется положением электрона: в одном проводе — 0, в другом — 1. Чтобы измерить состояние, через провода пропускают микроволны — это как сканировать штрихкод, но на квантовом уровне.
И это реально огромный прорыв! Почему? Потому что, наконец, появилась устойчивость к ошибкам. В других системах кубиты «ломаются» от малейшего шума. Но частицы Майораны можно «переплетать» — менять их местами так, что информация защищается топологически (как узел на веревке, который нельзя развязать). Даже если система подвергается помехам, «плетение» сохраняет данные.
Но, увы, пока что в бочке с медом есть огромная ложка дегтя. Даже у Microsoft есть слабое место — операция T-gate, которая пока выполняется с ошибками. Это критично, ведь T-gate — один из базовых элементов квантовых вычислений. Компания уверяет, что исправлять такие ошибки проще, чем в других системах, но независимых подтверждений пока нет.
Гонка за квантовым превосходством
Надо сказать, Microsoft не первый игрок на поле. IBM и Google уже демонстрировали квантовые процессоры. Но амбиции Microsoft впечатляют: их процессор Majorana 1 должен содержать до миллиона кубитов. Для сравнения: современные квантовые компьютеры редко превышают 1000 кубитов.

Миллион кубитов помещаются на ладони, только вот заставить их работать — та еще задачка
На начало 2025 года самыми мощными квантовыми компьютерами являются: 1. IBM Quantum Condor (1121 кубитов); 2. Atom Computing (1180 кубитов). Остальные гораздо слабее.
Зачем вообще миллион кубитов? Дело в том, что именно столько нужно для выполнения реальных задач, например, для взлома RSA-2048. Пока что большинство кубитов тратятся на коррекции ошибок. Инженеры IBM или Google со вздохом признают, что один надежный «логический кубит» требует 1000 физических. Microsoft надеется обойти это ограничение благодаря топологической защите.
Но это потом, а пока компании Билла Гейтса предстоит решить массу невероятно трудных задач.
Во-первых, надо разобраться с температурой. Топологические сверхпроводники работают при долях градуса выше абсолютного нуля. Создать стабильную среду для миллиона кубитов — инженерный кошмар.
Во-вторых, надо что-то делать с масштабированием. Даже если один кубит стабилен, связать миллионы — это как построить город из идеальных кирпичей, которые нельзя трогать.
В-третьих, многое пока не ясно с частицами Майораны. Непонятно, сколько они живут и с какой эффективностью взаимодействуют в больших массивах.
Так что следите за новостями. Будет интересно…
- Дмитрий Алексеев
- microsoft.com, wordpress.com, filestackapi.com
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Еще раз об убийстве Андрея Боголюбского: что рассказали кости погибшего князя?
Профессор судебной медицины поправил историков и выявил неточности древних летописей...
Древнеримский артефакт переписывает историю Америки: Колумб был не первым?
Почему находка из индейской могилы почти 100 лет вызывает ожесточенные споры среди археологов и историков?...
Раскрыта главная тайна антарктического льда: ученые узнали, как и кем была взломана природная защита Шестого континента
Похоже, той Антарктиде, которую мы знаем, приходит конец. Впрочем, это не точно...
Тайна гибели сибирского «Титаника»: почему некоторые детали катастрофы 1921 года неизвестны даже сейчас?
Поразительно, но тогда судьи единогласно оправдали капитана парохода. Так кто же тогда был виновником этого страшного происшествия?...
ФСБ рассекретило часть архивов Александра Вадиса, генерала «Смерш»: как советская контрразведка переиграла немцев на Курской дуге. И не только
Историки говорят: по биографии этого смершевца можно запросто снять несколько остросюжетных боевиков...
Жители Анд переписали свою ДНК: почему горные индейцы пьют ядовитую воду, но чувствуют себя при этом хорошо?
По словам ученых, эволюция сделала красивый и хитрый ход. И это не иммунитет к токсинам, а нечто другое, более интересное...
Ядерный взрыв на Луне: для чего советские ученые хотели провести такой грандиозный эксперимент?
Зачем России атомный реактор на Луне и как он поможет нам добраться до Венеры?...
Почему загадочный объект на Марсе — «копия» древнеегипетской пирамиды?
Что стоит за самой таинственной структурой на Красной планете? Эксперты дают объяснения, но стоит ли им верить?...
Почему эти меры не спасут Антарктиду: пять проектов по спасению ледников оказались провалом
Эксперт жестко проанализировал самые популярные программы по сохранению льда на Шестом континенте. Увы, они оказались невыполнимой фантастикой, причем опасно...