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
Битва под Каневом: почему на 350 лет замолчали сокрушительную победу России?
Неудобная победа, предательство и идеология. Мы бы могли вообще не узнать об этом триумфе русского оружия...
Бомбы с орбиты: почему советская технология, воскрешенная Китаем, встревожила США?
Американцы слишком долго считали свои системы раннего предупреждения лучшими на планете. Теперь......
С Ноева ковчега сняли запрет: что покажут радары на Арарате?
История, которую больше всего высмеивали ученые, неожиданно становится все более реальной...
Дикий народ чучуна: Кто наводил ужас на коренное население Сибири?
Йети? Люди-изгои? Древнее племя? Пока что вопросов больше, чем ответов...
Почему их ДНК не меняется уже 42 000 лет: определен самый древний народ на планете
Три раза предки жителей Океании встречались с исчезнувшими видами людей, и это в корне изменило их гены...
Тайна «косого глаза» Венеры раскрыта: что увидела нейросеть на картинах Боттичелли?
Художник нарисовал пять портретов прекрасной Симонетты Веспуччи. И каждое полотно еще больше подтверждает страшный диагноз...
Мрачный прогноз для США из 1995 года сбылся: в чем великий ученый Саган оказался прав?
Исследователь говорил: все плохо, но еще не все потеряно. Его советы могут реально помочь всему человечеству...
Новая вселенная внутри звезды: почему Эйнштейн мог ошибаться насчет черных дыр
Больше 20 лет эта гипотеза в буквальном смысле раздирает мир науки. Но, возможно, именно она выведет ученых из тупика сингулярности...
Прорыв в астрономии: найти жизнь в космосе будет гораздо проще
Ученых не пугает даже погрешность в 20%. Зато будут просканированы тысячи планет...
Марс под вопросом: что может обнулить иммунитет у космонавтов?
И почему защита организма перестает видеть микробы, выжившие в космосе?...
43 — проклятый возраст Рюриковичей: почему многие князья не переживали этот роковой рубеж?
Генетики говорят: русская династия слишком поздно поняла, что попала в ловушку «чистой» крови...
Снегопады в Антарктиде становятся все аномальнее: и ученые, наконец-то, знают почему?
Ученым придется пересмотреть все климатические модели Шестого континента. Кстати, снега там будет выпадать с каждым годом все больше...
Доказана жизнь на спутнике Юпитера: как же бактериям удалось добраться с Земли на Европу?
За 3,5 миллиарда лет земные бактерии могли долететь до 105 звездных систем. Так что у Европы есть все шансы на «заражение»...
Сначала Стоунхендж был... не каменным: найден прототип легендарного святилища
Доисторическая религия оказалась старше на 500 лет, чем считали ученые. И она играла огромную роль в жизни древних людей...
Бельгийскую разведку снова взломали: хакеры целый год качали оттуда секретные данные
Эксперты говорят: проникновение было замечено совершенно случайно. И это пугает...