Majorana 1: Microsoft зробила прорив у квантових обчисленнях?

Чіп для квантових обчислень Majorana 1. Джерело: Microsoft

Microsoft наробила шуму, оголосивши про створення Majorana 1 – унікального квантового чипа, який використовує топологічні кубіти. Це може означати прорив у квантових обчисленнях, значно скорочуючи шлях до стійких та потужних квантових комп’ютерів.

Суть цього прориву – використання частинки Майорани (Majorana fermion), яку ще у 1937 році передбачив італійський фізик Етторе Майорана. Унікальність цієї частинки в тому, що вона є своєю ж антиподібною частинкою, тобто існує одночасно у двох станах, що робить її надзвичайно стабільною для квантових обчислень.

Основний плюс Majorana 1 – його висока стабільність. Якщо класичні кубіти «ламаються» від найменших коливань температури чи шуму, то топологічні кубіти набагато менше чутливі до зовнішніх впливів. Це означає, що квантові обчислення можуть бути значно більш точними та масштабованими.

Як було створено Majorana 1?

Розробка Majorana 1 зайняла 17 років, оскільки Microsoft фактично будувала технологію з нуля. Для цього знадобилося створити новий матеріал – топопровідники (topoconductors), які можуть стабільно утримувати частинки Майорани. В основі цього чипа – індій-арсенід та алюміній, які дослідники буквально збирали атом за атомом.

Щоб виміряти стан квантових частинок, використовується складний метод інтерферометричного вимірювання ферміонного паритету. Щоб не вдаватися в складні деталі — це дозволяє надійно контролювати квантові стани і зчитувати інформацію без руйнування системи.

Де цей чіп можна застосувати?

Квантові обчислення відкривають абсолютно нові можливості для науки та технологій. Завдяки стабільним топологічним кубітам, Majorana 1 може зробити прорив у багатьох сферах – від медицини до штучного інтелекту. Давайте розберемося, де саме цей чип може стати справжньою революцією.

1. Матеріалознавство та інженерія

Квантові обчислення дозволяють моделювати структури матеріалів на рівні атомів. Це дає змогу створювати:

• Самовідновлювані матеріали – уявіть собі метал або пластик, який сам «заліковує» тріщини та подряпини, що значно збільшить термін служби конструкцій.
• Каталізатори для розкладання мікропластику – одна з найбільших екологічних проблем сьогодні. Majorana 1 може допомогти створити ефективні реакції розкладу пластикових відходів на нешкідливі речовини.
• Батареї нового покоління – квантова симуляція допоможе знайти ефективні хімічні сполуки, що дозволять створити надшвидкі акумулятори, які заряджаються за секунди та служать десятки років.

2. Медицина та біотехнології

Завдяки точним квантовим розрахункам можна моделювати складні біологічні процеси, що значно прискорить розробку ліків та методів лікування:

• Квантова симуляція лікарських препаратів – замість довгих років експериментів у лабораторіях, квантові комп’ютери зможуть точно передбачати ефективність ліків ще до випробувань.
• Генетичні дослідження – аналіз ДНК стане швидшим і точнішим, що відкриє шлях до персоналізованої медицини, де лікування підбирається під конкретну людину.
• Моделювання ферментів – розуміння їхньої роботи допоможе в створенні нових методів лікування та оптимізації виробництва ліків.

3. Сільське господарство та екологія

Зміни клімату вимагають нових підходів до сільського господарства, і тут квантові технології можуть стати рятівником.

• Культури, стійкі до зміни клімату – квантові обчислення дозволять моделювати ДНК рослин, що допоможе створювати сільськогосподарські культури, які виживають у посуху, мороз чи на засолених ґрунтах.
• Оптимізація добрив та пестицидів – точний розрахунок хімічних процесів допоможе створити екологічно чисті добрива, які дадуть максимум ефективності без шкоди для навколишнього середовища.
• Біорозкладання відходів – квантові моделі дозволять створити ферменти та бактерії, які швидко переробляють сміття без токсичних залишків.

4. Штучний інтелект та квантові обчислення

Majorana 1 може значно розширити можливості штучного інтелекту (AI):

• Квантові алгоритми для навчання нейромереж – швидший аналіз великих обсягів даних дозволить створювати кращі та розумніші моделі штучного інтелекту.
• Оптимізація логістики та бізнес-процесів – квантові обчислення допоможуть розраховувати ідеальні маршрути доставки, схеми управління запасами та фінансові операції.
• Нові підходи до нейроморфного програмування – створення нейромереж, що працюють за принципом людського мозку, що може привести до появи більш ефективного та природного ШІ

.5. Енергетика та надпровідники

Один із найбільших викликів науки – знайти спосіб створювати енергію без втрат.

• Розробка надпровідників при кімнатній температурі – це означає 100% ефективність електропередачі, відсутність теплових втрат та створення супершвидких комп’ютерів.
• Оптимізація енергоспоживання – квантові розрахунки можуть допомогти створювати нові джерела енергії, які працюватимуть ефективніше та екологічніше.

6. Вирішення екологічних проблем

Majorana 1 може змінити наш підхід до захисту довкілля:

• Розробка квантових каталізаторів – створення нових речовин, що допомагатимуть очищувати воду та повітря від токсичних забруднень.
• Розкладання пластику – квантові моделі допоможуть знайти кращі способи переробки пластику без токсичних відходів.
• Оптимізація використання природних ресурсів – квантові алгоритми можуть зменшити використання рідкісних металів у виробництві та знайти альтернативні матеріали.

Чіп для квантових обчислень Majorana 1. Джерело: Microsoft

Чому поява Majorana 1 важлива

Квантові обчислення вже давно обіцяють революцію у світі технологій, але на практиці вони досі стикаються з великими проблемами. Основні труднощі – це нестабільність кубітів, величезні похибки обчислень і складність масштабування. Однак Majorana 1 від Microsoft може вирішити ці питання.

Давайте розберемося, чому цей чип справді змінює гру і які переваги він відкриває.

1. Проблема стабільності квантових комп’ютерів

Більшість сучасних квантових систем (наприклад, Google або IBM) працюють на надпровідних кубітах, які надзвичайно чутливі до навколишнього середовища. Найменше теплове коливання, магнітне поле або шум можуть зруйнувати квантовий стан кубіта, що робить такі комп’ютери дуже нестабільними.

Що змінює Majorana 1?

• Топологічні кубіти набагато стійкіші – вони захищені самою природою свого квантового стану, а це означає менше помилок та довший термін роботи. Majorana 1 надасть можливість працювати при вищих температурах – класичні квантові комп’ютери вимагають охолодження до близько -273°C, тоді як Majorana 1 може працювати при трохи вищих температурах, що робить систему менш затратною. Менше шуму в роботі надасть більше точності – оскільки кубіти менш схильні до збоїв, розрахунки будуть набагато точнішими та стабільнішими.

2. Проблема корекції помилок

В традиційних квантових комп’ютерах кожен обчислювальний цикл містить величезну кількість помилок, тому вони вимагають складної системи корекції. Наприклад, щоб створити один “чистий” логічний кубіт, потрібно кілька тисяч фізичних кубітів. Це обмежує розвиток квантових технологій.

Що змінює Majorana 1?

Корекція помилок стає простішою – топологічні кубіти менш схильні до випадкових збоїв, тому потрібно значно менше додаткових кубітів для створення надійної системи. Якщо Microsoft зможе використовувати Majorana 1 для створення масштабованих квантових комп’ютерів, це дозволить набагато швидше вийти на рівень практичного використання квантових обчислень.

3. Масштабованість: головний виклик квантових технологій

На сьогодні найбільші квантові чипи мають лише кілька сотень кубітів, що дуже мало для серйозних задач. Наприклад, щоб розрахувати поведінку складної молекули, може знадобитися близько мільйона кубітів.

Що змінює Majorana 1?

Microsoft стверджує, що її топологічний підхід дозволить створити квантові процесори з понад мільйоном кубітів на одному чипі. Це означає гігантський стрибок у продуктивності. До того ж чип Majorana 1 настільки невеликий, що його можна розмістити в долоні, тоді як сучасні квантові системи займають цілі приміщення.

4. Чип, який набагато ближчий до класичних комп’ютерів

Сучасні квантові комп’ютери використовують аналогові мікрохвильові сигнали, що ускладнює їх інтеграцію в традиційні комп'ютерні системи.

Що змінює Majorana 1?

Цей чіп використовує цифрові імпульси – це наближає квантові обчислення до класичних і значно спрощує управління. Це квантовий процесор, який можна підключити до дата-центру – Microsoft планує інтегрувати Majorana 1 у хмарну платформу Azure Quantum, що відкриває масштабовані квантові обчислення для бізнесу та науки.

Чіп для квантових обчислень Majorana 1. Джерело: Microsoft

Коли чип Majorana 1 стане доступним

Квантові комп’ютери довго залишалися сферою експериментів, але Microsoft стверджує, що Majorana 1 може прискорити їхню появу у реальному житті. Замість десятиліть очікувань, цей чип може зробити практичні квантові обчислення можливими вже у найближчі кілька років.

Поточний статус: дослідницький пристрій

На даний момент Majorana 1 – це ще не комерційний продукт, а експериментальний чип. Він містить всього 8 кубітів, що значно менше, ніж сучасні квантові процесори, які мають сотні кубітів.

Однак топологічні кубіти в Majorana 1 значно стабільніші, тому цей невеликий чип може працювати точніше і вимагати менше корекції помилок. Це важливий крок до масштабованих квантових обчислень.

Що вже зроблено?

• Доведено, що топологічні кубіти працюють стабільніше, ніж класичні
• Вирішено основну проблему – як створювати та вимірювати квантові стани Majorana
• Створено матеріал “топопровідник”, який робить можливим цю технологію

Наступні кроки у розвитку Majorana 1

Щоб Majorana 1 став корисним для науки, бізнесу та технологій, потрібно зробити кілька важливих кроків:

• Масштабування від 8 кубітів до сотень і тисяч – зараз чип занадто малий для складних задач. Microsoft планує розширити систему, щоб довести ефективність топологічних кубітів на великих обчисленнях.
• Підключення до хмарних сервісів – компанія хоче інтегрувати Majorana 1 у Azure Quantum, щоб дати доступ до квантових обчислень онлайн.
• Створення першого прототипу комерційного квантового комп’ютера – це може зайняти ще кілька років досліджень.

Microsoft ставить перед собою амбіційний план: створити перше покоління стійких квантових процесорів до 2030 року.

Проте до практичного використання ще є певний шлях.

2025-2030: інтеграція з Azure Quantum

Microsoft планує зробити квантові обчислення доступними через хмарні технології. Azure Quantum стане платформою, де будь-яка компанія чи вчений зможе орендувати обчислювальну потужність Majorana 1 через інтернет.

Що це дасть?

• Доступ до квантових обчислень без потреби купувати дороге обладнання
• Можливість тестувати квантові алгоритми для штучного інтелекту, матеріалознавства, фінансів
• Прискорення розвитку квантової індустрії

За оцінками Microsoft, перші публічні тести Azure Quantum з Majorana 1 можуть розпочатися у 2026-2027 роках (тобто ще не так скоро).

2030-2035: поява повноцінного квантового комп’ютера

Головна мета, до якої йде Microsoft – створити повноцінний квантовий комп’ютер, який зможе працювати краще за класичні суперкомп’ютери. Що для цього треба зробити Компанія визначає кілька етапів:

• Перехід від десятків кубітів до сотень тисяч або навіть мільйонів
• Вирішення задач, які неможливі для звичайних комп’ютерів (наприклад, моделювання молекул для створення ліків)
• Оптимізація квантової корекції помилок, щоб зробити обчислення швидшими та надійнішими

Компанія очікує, що до 2035 року квантові комп’ютери на базі Majorana 1 можуть стати стандартним інструментом у науці та бізнесі.

Підтримка з боку урядів і великих компаній

Microsoft не працює над квантовими технологіями наодинці – компанія отримала підтримку від уряду США та військових:

• DARPA (Агентство передових оборонних досліджень США) працює з Microsoft над використанням квантових технологій для шифрування, розвідки та аналізу даних.
• Міністерство оборони США фінансує проєкти з квантової безпеки, і Microsoft є однією з двох компаній, які вийшли у фінальну стадію цього конкурсу.
• Великі корпорації (Goldman Sachs, Volkswagen, Airbus) вже цікавляться тим, як квантові обчислення допоможуть у фінансах, транспорті та авіації.

Це означає, що навіть якщо Majorana 1 ще не готовий для масового використання, вже є велика підтримка з боку урядів та бізнесу.

Коли ми зможемо побачити реальний ефект?

Якщо Microsoft виконає свій план, то:

• До 2026 року – почнуться перші тести Majorana 1 у хмарному сервісі Azure Quantum.
• До 2030 року – з’явиться масштабований квантовий процесор на основі Majorana 1.
• До 2035 року – квантові обчислення стануть практичним інструментом у науці та бізнесі.

В сухому залишку: квантове майбутнє ближче, ніж здається (але ще не завтра)

Якщо раніше квантові комп’ютери здавалися далекою фантастикою, то з Majorana 1 від Microsoft їхнє практичне застосування може стати реальністю вже у найближче десятиліття. Компанія вже довела, що топологічні кубіти працюють, і тепер наступний крок — масштабування та інтеграція цієї технології у хмарні сервіси, зокрема Azure Quantum. Очікується, що до 2030 року з’являться перші квантові процесори, здатні вирішувати складні завдання швидше за класичні суперкомп’ютери, а до 2035 року квантові обчислення можуть стати звичайним інструментом у науці, медицині, фінансах і промисловості. Майбутнє квантових технологій більше не є гіпотетичним — воно вже формується прямо зараз.

Джерело: Microsoft