Majorana 1

Majorana 1 — название первого в мире квантового чипа, выполненного с использованием нового материала — топопроводника, представленного компанией Microsoft 19 февраля 2025 г.

Описание

Файл:Majorana-1-009-300x300-1.jpg

Рис. 1. Чип Majorana 1. Фотография Джона Бречера для компании Microsoft

Файл:Majorana-1-007-4000px-1.jpg

Рис. 2. Чип Majorana 1 от компании Microsoft на печатной плате

Файл:Фотография и схема топологического проводника на основе InAs.svg

Рис. 3. Топологический проводник на основе InAs-Al. Фотография и схема

19 февраля 2025 года компания Microsoft представила первый в мире квантовый чип на базе новой архитектуры Topological Core, с помощью которой компания надеется создать квантовые компьютеры для решения массивных задачи в течение ближайших десятилетий. Чип получил название Majorana 1. Базовым элементом нового чипа, по заявлению Microsoft, стал топопроводник (англ. topoconductor), новый класс материалов, в котором присутствуют управляемые майорановские частицы и на основе которого в чипе Majorana 1 размещено восемь топологических кубитов. В презентации компании Microsoft утверждается, что планируется масштабирование архитектуры до миллиона кубитов на одном чипе и обработки триллионов операций в секунду. В чипе Majorana 1 реализована защита от ошибок на аппаратном уровне. Новизна архитектуры чипа состоит и в том, что в нём происходит цифровое управление кубитами, что значительно упрощает вычисления и увеличивает производительность.

Архитектура топологических кубитов Microsoft представляет собой систему алюминиевых нанопроводов, соединённых вместе и образующих букву H. Каждая H имеет четыре управляемых майорановских частиц и составляет один кбит информации. Эти буквы соединяются между собой наподобие плитки, заполняя собой весь чип.

Основой чипа служит не кремний, как в обычной полупроводниковой электронике, а арсенид индия, использовавшийся ранее при изготовлении ИК-датчиков. В созданном компанией Microsoft чипе Majorana 1 использовались сочетания полупроводника и сверхпроводника, создаваемые при сверхнизких температурах.

Кубит (квантовый бит) — наименьшая единица информации в квантовых вычислениях. Количество состояний, в которых находится квантовый процессор, быстро растет с увеличением числа кубитов за счет возможности связывать их между собой, что позволяет квантовым процессорам решать задачи, которые не под силу самым мощным «классическим» суперкомпьютерам.

Майорановские фермионы

Существование майорановских фермионов было предсказано теоретически итальянским физиком Этторе Майораной в 1937 г. Долгое время обнаружить их экспериментально в физике элементарных частиц на ускорителях не удавалось. Особенность этих частиц состоит в том, что они являются и своими же античастицами. Однако в физике твёрдого тела признаки существования одного из видов фермионов Майораны, т. н. нулевые моды Майораны были обнаружены экспериментально в виде групп электронов и других частиц, которые ведут себя как отдельные квазичастицы. В 2010 году майорановские фермионы были обнаружены в полупроводниковых нанопроволоках.

В 2018 году в журнале Nature исследователями компании Microsoft была опубликована статья, в которой утверждалось, что нулевые моды Майораны были ими обнаружены в специфических системах, в состав которых входят сверхпроводники из алюминия (${\ce {Al}}$), расположенные на поверхности нанотрубок из арсенида индия (${\ce {InAs}}$). Такие системы в статье были названы топологическими проводниками (топопроводниками), на основе которых специалисты из Microsoft планировали создание квантовых кубитов, использующих майорановские фермионы (в виде их частных случаев — нулевых мод), работа которых основывалась на специфических свойствах нулевых мод Майорана, в частности, их устойчивости к внешним вмешательствам и свойству майорановских фермионов, напоминающему «эффект памяти», выражающийся в том, что когда нулевые моды Майораны меняются местами, они могут «помнить», как они вели себя по отношению друг к другу до их разделения. Теоретически, «топологический кубит», созданный из пары нулевых мод Майораны, может сохранится при появлении внешних помех, если его бывшая пара будет невредимой. Это повышает стабильность квантовой системы. Благодаря этому они обладают большим временем декогеренции, на основе чего можно разработать аппаратную коррекцию ошибок в потенциальных вычислительных устройствах, работающих на кубитах — квантовых чипах нового поколения.

В исследовании 2018 года ученые экспериментировали с полупроводниковыми нанопроволоками из арсенида индия, покрытыми алюминиевыми сверхпроводящими оболочками. В этой системе, согласно предыдущим исследованиям, на обоих концах затворов должны образовываться частицы Майораны. При изменении напряжения на устройствах было обнаружен внезапный пик электропроводности. Утверждалось, что этот электрический сигнал свидетельствует о дискретных, квантованных уровнях проводимости, что является отличительной чертой наличия частиц Майораны.

Однако, результаты работы, опубликованной в Nature в 2018 году, подверглись критике со стороны ряда исследователей за то, что доказательства, приведенные в статье, недостаточно корректны, и даже «с самого начала были неправдоподобными», по утверждению физика Сергея Фролова из Питтсбургского университета. Сергей Фролов и физик Винсент Мурик из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии в процессе изучения данных, приведенных в статье 2018 года, обнаружили серьезные противоречия между исходными файлами и опубликованными результатами. После того как общение с командой, поддерживаемой Microsoft, оказалось безрезультатным, исследователи «пожаловались в Nature, и Nature попросила авторов дать объяснения».

В опровержении отмечались такие ошибки, как «неоправданное исправление» некоторых данных и неправильная маркировка графика. Независимая проверка, проведенная по запросу Делфтского технологического университета в Нидерландах, предположила, что исследователи отобрали данные, подтверждающие искомое явление, пропустив при этом противоречивые данные. Однако проверка не нашла никаких доказательств того, что эти ошибки были намеренными. Кроме того, предполагается, что ученые были охвачены энтузиазмом и поэтому не обратили должного внимания на данные, которые не соответствовали их цели.

После этого авторы статьи в Nature официально отказались от этой работы, сославшись на «недостаточную научную строгость».

Несмотря на критику, компания Microsoft заявляет, что продолжает заниматься топологическими квантовыми вычислениями и что ее исследования не опираются ни на какие утверждения или методы, приведенные в опровергнутой работе. «Мы уверены, что масштабируемые квантовые вычисления помогут решить некоторые из величайших проблем человечества, и мы по-прежнему привержены топологическому подходу», — утверждал Зульфи Алам, руководитель группы Microsoft Quantum.

Продолжение исследований

В 2023 году компания Microsoft опубликовала новые исследования топопроводников на основе гибридных устройств ${\ce {InAs-Al}}$ (где сверпроводником служит ${\ce {Al}}$), где были представлены измерения и моделирование полупроводник-сверхпроводниковых гетероструктурных устройств, согласующиеся с наблюдением топологической сверхпроводимости и нулевых мод Майораны. Устройства состояли из высокоподвижных двумерных электронных газов, в которых квазиодномерные провода являются электростатическими затворами. Эти устройства позволяют измерять локальные и нелокальные транспортные свойства и были оптимизированы с помощью обширного моделирования для обеспечения устойчивости к неоднородности и беспорядку. Главный результат работы заключался в том, что несколько устройств, изготовленных в соответствии с инженерными спецификациями, прошли протокол топологических зазоров (TPG, Topological Gap Protocol), определенный в работе Пикулина и др. Этот протокол представляет собой строгий тест, состоящий из последовательности трехтерминальных локальных и нелокальных транспортных измерений, проводимых при изменении магнитного поля, электронной плотности полупроводника и прозрачности переходов. Прохождение протокола указывает на высокую вероятность обнаружения топологической фазы, содержащей нулевые моды Майораны, как определено с помощью крупномасштабного моделирования беспорядка. Экспериментальные результаты согласуются с квантовым фазовым переходом в топологическую сверхпроводящую фазу, который простирается на несколько сотен миллитесла в магнитном поле и несколько милливольт в напряжении на затворе, что соответствует примерно сотне микроэлектронвольт в зеемановской энергии и химическом потенциале в полупроводниковом проводе. В этих областях наблюдается закрытие и повторное открытие объемной щели с одновременными пиками нулевой проводимости на обоих концах устройств, которые выдерживают изменения прозрачности переходов. Полученные максимальные топологические зазоры в таких устройствах составляют 20-60 мкэВ. Эта демонстрация является предпосылкой для экспериментов по слиянию и оплетению нулевых мод Майораны.

На рисунке 3 представлена фотография (А) нановолокна из ${\ce {InAs}}$, на которой зелёным цветом показан сверхпроводник (${\ce {Al}}$), в котором и должны наблюдаться майорановские фермионы. Схема гибридного устройства, используемого для обнаружения нулевых мод Майорана приведено на этом же рисунке, (Б). В работе приведен обширный экспериментальный материал, подтверждающий прохождение протокола топологических зазоров и присутствия мод Майорана. По мнению авторов статьи, речь идёт именно о модах Майорана, а не об и андреевских режимах.

Применение

Производительность чипа Majorana 1 позволяет создавать и обрабатывать математические модели поведения живой природы с невероятной точностью, от химических реакций до молекулярных взаимодействий и работы ферментов, требующие массивных вычислений задачи химии, материаловедения, технологии и других отраслях. Предположительно, подобные чипы и их новые модели с улучшенной архитектурой будут способны решать задачи по моделированию коррозии несущих конструкций, возникновении и залечивании трещин, разработке самовосстанавливающихся материалов для мостов, автомобилей и экранов смартфонов, построению химического состава и технологий изготовления универсальных катализаторов расщепления микропластика и дезинтеграции загрязняющих веществ на безопасные, нетоксичные продукты, решения задач здравоохранения, сельского хозяйства и технологий выращивания продуктов питания в неблагоприятных климатических условиях.

Интеграция нового чипа и искусственного интеллекта позволит, по мнению компании Microsoft, создавать различные продукты с первого раза, без многолетней подготовки и экспериментирования, что существенно сократит расходы компаний-производителей и сроки выхода новых продуктов на рынок.

Создание квантовых компьютеров на основе чипов Majorana 1 послужит для разработки и моделирования новых материалов с улучшенными свойствами и, по иронии судьбы, для создания линейки чипов Majorana N и квантовых компьютеров на их основе.

Литература

• Zhang, H., Liu, CX., Gazibegovic, S. et al. RETRACTED ARTICLE: Quantized Majorana conductance. Nature 556, 74-79 (2018). https://doi.org/10.1038/nature26142
• Chang, W., Albrecht, S., Jespersen, T. et al. Hard gap in epitaxial semiconductor-superconductor nanowires. Nature Nanotech 10, 232—236 (2015). https://doi.org/10.1038/nnano.2014.306
• Yu, P., Chen, J., Gomanko, M. et al. Non-Majorana states yield nearly quantized conductance in proximatized nanowires. Nat. Phys. 17, 482—488 (2021). https://doi.org/10.1038/s41567-020-01107-w
• Zhang, H. et al. Large zero-bias peaks in InSb-Al hybrid semiconductor-superconductor nanowire devices. Preprint at https://arxiv.org/abs/2101.11456 (2021). https://doi.org/10.48550/arXiv.2101.11456

Ссылки

• Introducing Microsoft Majorana 1

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Majorana 1», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Majorana_1» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».