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.

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.



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.



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.



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…