Софья Манько прокомментировала новость Microsoft о прототипе топологического квантового процессора

Софья Манько, исследователь Центра научных исследований и перспективных разработок ИнфоТеКС

Новость: 19 февраля 2025 года компания Microsoft представила первый в мире прототип топологического квантового процессора. Эта новость мгновенно распространилась и вызвала неоднозначную реакцию в научном сообществе.

Комментарий эксперта: Отличительной особенностью концепции топологического квантового компьютера является его защищенность от ошибок, вызванных декогеренцией. Как известно, на данный момент шум является серьезной головной болью для физиков, занимающихся квантовыми вычислениями.

В 2000-х годах было предсказано, что топологический квантовый компьютер может быть создан на основе квазичастиц Майораны – особых решений уравнения, вдохновленного уравнением Дирака, предсказывающих совершенно уникальный тип частиц, являющихся собственными античастицами.

Майорановские фермионы – очень любопытные для научного мира объекты. Для квантовых вычислений особенно важны состояния, называемые нулевыми модами Майораны. Однако различные экспериментальные попытки их демонстрации неоднократно подвергались серьезной критике. Дело в том, что другие топологически тривиальные моды могут проявлять схожие свойства, которые исследователи представляли как экспериментальное подтверждение обнаружения майорановских фермионов. Это делало полученные доказательства неубедительными, включая работы группы Microsoft (статьи 2017 и 2018 годов были отозваны из Nature в 2022 и 2021 годах).

Что можно сказать о представленном прототипе процессора топологического квантового компьютера? Вообще говоря, практически ничего. Пресс-релиз не содержит никакой технической характеристики чипа Majorana-1. В опубликованной работе в журнале Nature представлены только промежуточные результаты, а именно метод считывания, однако о самих кубитах, их характеристиках и вычислениях там речи не идет. Чуть больше информации об устройстве многокубитной системы содержится в препринте, где также описывается, как работают однокубитные операторы на основе измерений, коррекция ошибок в такой архитектуре и результаты ее моделирования, без каких-то реальных экспериментов на аппаратной установке. Кроме того, в препринте подчеркивается, что предложенный подход может быть расширен на многокубитные гейты, однако реализация гейтов вне группы Клиффорда, которые необходимы для полного универсального набора гейтов, потребует топологически незащищенных операций, то есть внесет дополнительный шум. С учетом того, что квантовые схемы, составленные только из клиффордовских гейтов, могут эффективно моделироваться на классическом компьютере, в принципе сложно назвать процессор с чисто клиффордовскими операциями квантовым вычислителем.

Также в пресс-релизе в очередной раз говорится об экспериментальной демонстрации частиц Майорана, хотя в самой статье авторы, наученные предыдущим опытом, высказываются об этом более осторожно. Еще одним противоречивым заявлением стало создание ими «нового состояния материи, которое ранее существовало только в теории», хотя эксперименты со схожими структурами и условиями были неоднократно экспериментально продемонстрированы и ранее, однако авторство нового термина «топопроводник» безусловно принадлежит Microsoft. Большой акцент создатели ставят именно на высокие способности масштабирования такой архитектуры, по их заявлениям, в будущем на одном чипе можно поместить даже миллион кубитов. Однако не стоит забывать, что, хотя и чип действительно компактный, криогенная техника, необходимая для охлаждения этого устройства до сверхнизких температур занимает целое лабораторное помещение. Так что речи о миниатюризации до масштабов персональных устройств тут не идет. Скорее, преимуществом такой архитектуры может стать отсутствие необходимости распределенных вычислений, задействующих несколько чипов, в силу достижения некоторых пределов позволительных масштабов.

Таким образом, единственное, что мы знаем сейчас, – это то, что заявленное число кубитов в представленном устройстве – 8. Несмотря на скептическое отношение со стороны сообщества и некоторые громкие слова в официальном заявлении, это ни в коем случае не значит, что Microsoft предоставляет недостоверные данные о результатах своей работы. Однако опубликованных компанией данных недостаточно для подтверждения работоспособности и обсуждения перспектив представленного топологического квантового процессора. Безусловно, топологические квантовые вычисления очень захватывающая и перспективная область, и мы будем ждать больше информации о Majorana-1.