"У нас есть куча вещей, которые мы держали в секрете, и теперь мы отказываемся от них сразу", - сказал директор Microsoft Station Q Четан Наяк, профессор физики в Калифорнийском университете и технический сотрудник по квантовому оборудованию в Microsoft. Чип был представлен на ежегодной конференции Station Q в Санта-Барбаре и сопровождает статью, опубликованную в журнале Nature, автором которой является Station Q, их товарищи по команде Microsoft и множество сотрудников, в которой представлены результаты измерений исследовательской группой этих новых кубитов.

"Мы создали новое состояние материи, называемое топологическим сверхпроводником", - объяснил Наяк. Он объяснил, что в этой фазе материи существуют экзотические границы, называемые нулевыми режимами Майораны (MZM), которые полезны для квантовых вычислений. Результаты тщательного моделирования и тестирования их гетероструктурных устройств согласуются с наблюдениями таких состояний. "Это показывает, что мы можем это сделать, сделать это быстро и сделать это точно", - сказал он.

Исследователи также дополнили свой результат Nature статьей, которая в настоящее время находится в стадии препринта, с изложением дорожной карты по масштабированию их технологии до полнофункционального топологического квантового компьютера.

Магия Майораны

Перспективность квантовых вычислений заключается в скорости и мощности их вычислений, которые, как ожидается, превзойдут даже самый продвинутый классический суперкомпьютер. Все это основано на кубите, версии бита для квантовых вычислений, фундаментальной единице информации для классических компьютеров. В то время как классические биты существуют только в состоянии либо нуля, либо единицы, кубиты могут представлять ноль, единицу и комбинации между ними.

Кубиты могут принимать различные формы, используя, например, квантовое поведение захваченных ионов или фотонов. Топологические системы основаны на частицах другого типа, называемых анионами, типе "квазичастиц", которые возникают в результате коррелированных состояний многих взаимодействующих частиц на поверхности материала, в данном случае сверхпроводящей нанопроволоки.

Что делает топологические квантовые вычисления такой актуальной областью исследований, так это то, что они обещают большую стабильность и устойчивость к ошибкам, чем другие квантовые вычислительные системы. Кубиты могут быть подвержены ошибкам, что требует от разработчиков квантовых компьютеров учитывать это, например, создавая больше кубитов для исправления ошибок.

"Дополнительный подход заключается во встроенном исправлении ошибок на аппаратном уровне", - сказал Наяк. Поскольку квантовая информация распределяется и хранится в физической системе, а не в отдельных частицах или атомах, объяснил он, информация, обрабатываемая топологическими кубитами, с меньшей вероятностью потеряет свою согласованность, что приводит к созданию более отказоустойчивой системы.

Но подойдет не просто любая квазичастица. Для топологических квантовых вычислений предпочтительным инструментом являются частицы Майораны - более конкретно, нулевые режимы Майораны. Названные в честь итальянского физика Этторе Майораны, который предсказал их в 1937 году, эти частицы уникальны тем, что являются собственными античастицами и способны сохранять "память" о своем относительном положении с течением времени. "Сплетая" их - физически перемещая друг вокруг друга - можно создать более надежную квантовую логику.

Исследователи реализовали эти частицы путем размещения полупроводниковой нанопроволоки из арсенида индия очень близко к алюминиевому сверхпроводнику. При правильных условиях полупроводниковый провод становится сверхпроводящим и переходит в топологическую фазу. МЗМ возникают на концах провода, в то время как остальная часть провода имеет энергетический зазор. "Чем больше этот топологический разрыв, - отметил Наяк, - тем более устойчивой является топологическая фаза.

"Удивительно то, что когда вы увеличиваете разрыв, он не только становится более надежным, но и потенциально работает быстрее и, возможно, немного сокращает все, так что вы не платите за свою точность размером".

Топологический процессор исследователей объемом в восемь кубитов является всего лишь зародышем в мире квантовых компьютеров, но знаменует собой важную веху в многолетних поисках ученых по разработке топологического квантового компьютера. По словам Наяка, на этом пути между станцией Q и университетом установились плодотворные партнерские отношения, особенно в области создания материалов, которые поддерживают топологическое квантовое поведение.

"Крис Палмстром время от времени сотрудничал с нами, и он добился важных успехов в такого рода материалах", - сказал он об эксперте по электронным материалам, в то время как специалист по материаловедению Сюзанна Стеммер поделилась своим опытом в области производственных процессов. Станция Q также наняла в свою команду много студентов, и, что немаловажно, добавил Наяк, концепция полупроводниковых гетероструктур родилась из идей покойного Херба Кремера, который был профессором кафедры электротехники и вычислительной техники, удостоенного Нобелевской премии.

"В UCSB накоплен большой опыт и талант в области комбинаций таких материалов, а также в этой действительно передовой области материаловедения, которая открывает новые виды физики, которыми мы можем заниматься".