После двадцати лет заточки меча недавно выпущенный массивный квантовый чип Microsoft сокрушает мировые суперкомпьютеры, и Маск отправляет его для его поддержки.

Пока все говорят о национальной цене iPhone 16e, первый чип квантовых вычислений Microsoft Majorana 1 также стал Ван Фэном в технологических кругах и был лишен широкой огласки.

Однако как новость феноменального уровня в технологическом кругу все же стоит упомянуть Majorana 1, которую генеральный директор Microsoft Сатья Наделла называет не технологической шумихой, а технологией мирового уровня.

Маск также взволнованно ретвитнул твит Наделлы и похвалил растущее количество прорывов в области квантовых вычислений, что также может подтвердить важность Майораны-1 со стороны.

Majorana 1 размером с ладонь, но сможет ли он решить глобальные проблемы суперкомпьютеров?

Majorana 1, только что выпущенный Microsoft, — это первый в мире квантовый чип, основанный на новой архитектуре топологического ядра.

Я знаю все слова, но не могу понять их, когда они собраны вместе.

Не волнуйтесь, прежде чем понять это предложение, нам нужно понять точку знания — «топологический проводник».

В нашем традиционном понимании материя преимущественно существует в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. После почти 20 лет исследований Microsoft успешно создала четвертую форму топологического состояния материи.

«Топология» — это особый научный принцип. Проще говоря, он может сделать передачу и хранение информации в чипе более стабильной и менее подверженной ошибкам. Ученые Microsoft разработали новый материал под названием «топологический проводник».

В Microsoft заявили, что точно так же, как изобретение полупроводников привело к появлению сегодняшних смартфонов, компьютеров и электронных устройств, топологические проводники и новые чипы, которые они поддерживают, открывают реальный путь для развития квантовых систем.

Этот топологический проводник, построенный из арсенида индия (полупроводник) и алюминия (сверхпроводник), может образовывать топологическое сверхпроводящее состояние в среде, близкой к абсолютному нулю, обеспечивая сверхстабильный «скелет» для квантовых чипов и делая его большим шагом на пути к тому, чтобы стать более практичным и мощным.

Еще один пункт знаний, который необходимо освоить, — это кубиты.

В традиционных компьютерах биты могут представлять только 0 или 1, тогда как кубиты в квантовых компьютерах могут представлять 0 и 1 одновременно или любое промежуточное состояние, что обеспечивает большую вычислительную мощность.

Однако большинство типов кубитов могут сохранять свое квантовое состояние только в течение очень короткого времени, часто всего лишь доли секунды, что приводит к ошибкам вычислений или быстрой потере хранимой информации. В течение многих лет такие компании, как IBM, Microsoft и Google, пытались сделать кубиты такими же стабильными, как двоичные биты.

С этой целью Microsoft выбрала другой путь, чем IBM, Google и другие компании — разработку топологических кубитов. Они считают, что такие кубиты более стабильны и требуют меньшего исправления ошибок, что дает им преимущества в скорости, масштабе и управляемости.

И этот путь опирается главным образом на особый тип частиц, который никогда на самом деле не наблюдался и не создавался — частицу Майораны.

Эта особая частица, впервые предложенная физиком-теоретиком Этторе Майорана в 1937 году, не существует в природе и может быть «индуцирована» только при определенных условиях магнитных полей и сверхпроводников. Поскольку материалы, необходимые для создания таких частиц, чрезвычайно сложно разработать, большинство исследовательских групп по квантовым вычислениям решили отказаться от этого пути и вместо этого работать над другими типами кубитов.

Тем не менее, Majorana 1 от Microsoft заявляет о критическом прорыве.

Разработанный ими топологический проводник успешно достиг двух целей: одна — создавать майорановские частицы в определенных условиях, а другая — иметь возможность точно контролировать поведение этих частиц, создавая тем самым кубиты, стабильность и надежность которых намного превосходят традиционные решения.

Благодаря этому команда Microsoft также добилась значительного прогресса в технологии измерений.

Исследовательская группа Microsoft разработала точный метод измерения, управляемый цифровыми импульсами, который позволяет обнаруживать нечетные и четные изменения количества электронов в сверхпроводящих проводах (то есть разницу в одном электроне), тем самым достигая высокоточного считывания состояния кубита.

Представьте, что у вас есть банка с шариками, но шарики в этой банке настолько крошечные, что их невозможно увидеть даже невооруженным глазом. Теперь вам нужно узнать, нечетное или четное количество шариков в банке, и вам нужно быть очень точным, чтобы ни один не ошибся.

Посылая специальные электрические сигналы (например, свет фонарика), команда Microsoft может точно сказать вам, четно или нечетно количество шариков в банке. В квантовом компьютере нам необходимо точно знать состояние каждого кубита (так же, как знать количество шариков), чтобы гарантировать точность вычислений.

Если даже эту самую базовую информацию невозможно прочитать точно, тогда квантовый компьютер подобен калькулятору, который решает неверную задачу и бесполезен.

В тот же день, когда был запущен чип Majorana 1, соответствующие исследовательские работы были опубликованы в журнале Nature.

С тех пор, как технический исследователь Microsoft Наяк присоединился к компании и начал изучать эту проблему в 2005 году, прошло уже почти 20 лет, охватывая множество генеральных директоров, различные управленческие команды и различные уровни руководства.

В отличие от большинства компаний-производителей микросхем, которые полагаются на таких производителей, как TSMC, основные компоненты Majorana 1 будут производиться только Microsoft в США. Основная причина заключается в том, что текущие исследования и разработки все еще находятся на стадии мелкомасштабных экспериментов, и достижение крупномасштабного OEM-производства не является ни необходимым, ни трудным.

Что касается физической реализации, Majorana 1 имеет уникальную H-образную структуру. Каждая структура содержит четыре управляемые частицы Majorana, которые можно расширять на чипе, как плитки. Такая конструкция позволяет кубитам достигать меньшего размера и большей интеграции, сохраняя при этом стабильность.

Размер каждого топологического кубита составляет всего 1/100 мм. Чип Majorana 1 перед вами размером всего с ладонь, но он также объединяет 8 кубитов. Чем больше кубитов имеет чип, тем сильнее его возможности.

Наделла даже утверждал, что этот чип, который можно легко держать на ладони, способен решить задачи, которые не могут решить все суперкомпьютеры на планете.

Однако Джейсон Зандер, исполнительный вице-президент Microsoft, заявил в интервью CNBC: «Мы надеемся достичь сотен кубитов, прежде чем обсуждать коммерческую надежность».

Чтобы добиться крупномасштабных квантовых вычислений, Microsoft планирует в будущем интегрировать миллионы кубитов на одном чипе и, как ожидается, даже будет развернута непосредственно в центрах обработки данных Azure. В этом отношении оценка физика из Университета Мэриленда Санкара Даса Сармы правильна, уместна и точна:

Самый большой недостаток топологических кубитов заключается в том, что это по-прежнему скорее физическая проблема, но если все сегодняшние заявления Microsoft верны… тогда, возможно, фаза физики подходит к концу и вот-вот начнется фаза инженерной реализации.

Суперкомпьютеры на миллион кубитов могут появиться раньше, выживет ли Microsoft?

«Независимо от того, что вы делаете в области квантовых вычислений, должен быть четкий путь к миллионам кубитов. В противном случае вы столкнетесь с узким местом, прежде чем действительно сможете достичь масштаба, способного решить важные проблемы, которые продвигают нас вперед, и мы нашли этот путь».

Технический исследователь Microsoft Четан Наяк сказал выше. Количественные изменения приводят к качественным изменениям, а размещение миллионов кубитов — это лишь самый низкий порог для квантовых компьютеров. Если то, что сказал Наяк, правда, каковы будут последствия?

Представители Microsoft привели в своем блоге несколько примеров:

• Помощь в изучении причин коррозии и трещин в материалах и содействие разработке самовосстанавливающихся материалов, например, для ремонта трещин в мостах или деталях самолетов, разбитых экранов мобильных телефонов или даже поцарапанных дверей автомобилей.
• Рассчитайте молекулярные свойства катализаторов для расщепления пластиковых загрязнителей на ценные побочные продукты или даже напрямую разработайте нетоксичные альтернативные материалы.
• Точно смоделируйте механизм действия ферментов, чтобы сделать их применение более эффективным, тем самым улучшая плодородие почвы, увеличивая производство продуктов питания или способствуя устойчивому росту сельскохозяйственных культур в суровых климатических условиях, тем самым помогая решить проблему глобального голода.

Самое главное, что квантовые вычисления произведут революцию в отраслях от здравоохранения до разработки продуктов, предоставив инженерам, ученым, бизнесменам и другим специалистам возможность с первого раза точно проектировать идеальные продукты.

Когда мощь квантовых вычислений сочетается с инструментами искусственного интеллекта, люди могут описывать новые материалы или молекулы, которые они хотят создать, простым и понятным языком и сразу же получать практические ответы, без догадок или лет проб и ошибок.

По словам Матиаса Тройера, руководителя отдела квантовых вычислений Microsoft:

«Любая компания, занимающаяся производством, может идеально спроектировать продукт с первой попытки, и квантовый компьютер напрямую даст ответ. Квантовый компьютер может научить ИИ «языку природы», позволяя ИИ напрямую говорить вам, как приготовить то, что вы хотите».

Хотя многие научные и инженерные задачи уже решены, пройдет несколько лет, прежде чем созреют плоды. Технический исследователь Microsoft Криста Своре отметила, что достижение укладки топологической материи является одной из самых сложных частей всего процесса.

Как упоминалось вначале, топологические проводники Microsoft изготовлены из арсенида индия, а не из традиционных кремниевых материалов. Арсенид индия обладает особыми физическими свойствами, которые делают его пригодным для таких применений, как инфракрасные детекторы. Объединение его со сверхпроводимостью при экстремально низких температурах создает гибридный материал.

Microsoft «распыляет» материал атом за атомом, требуя, чтобы материал был идеально упорядочен. Если в стеке материала слишком много дефектов, производительность кубита серьезно пострадает.

Возникает вопрос: «Что было раньше, курица или яйцо?» Если мы хотим создавать более совершенные квантовые компьютеры, нам нужны более совершенные материалы, но чтобы понять, как создавать более совершенные материалы, нам нужна помощь квантовых компьютеров.

Однако появление квантовых суперкомпьютеров, возможно, не заставит себя долго ждать. Согласно дорожной карте, разработанной Microsoft, мы сформулировали несколько ключевых моментов:

• Демонстрация первых в мире топологических кубитов и интеграция 8 топологических кубитов на одном чипе.
• Планируется построить массив кубитов 4×2 для демонстрации квантовой запутанности и обнаружения квантовых ошибок.
• В конечном итоге один чип сможет интегрировать миллионы кубитов, создавая квантовый суперкомпьютер и способствуя практическому использованию квантовых вычислений.

С другой стороны, Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) выбрало Microsoft в качестве одной из двух компаний, которые вступят в заключительную фазу «слаборазвитой системы квантовых вычислений полезного масштаба» (US2QC).

Эта инициатива является частью более крупной программы квантового тестирования DARPA, целью которой является проверка возможности создания практического квантового компьютера к 2033 году.

Другими словами, Microsoft рассчитывает создать отказоустойчивый прототип квантового компьютера на основе топологических кубитов за годы, а не десятилетия.

+1 за прижизненную серию.

Конечно, не все с оптимизмом смотрят на такую ​​скорость развития. Генеральный директор NVIDIA Дженсен Хуанг публично заявил на выставке CES 2025 в начале года, что до практического внедрения квантовых компьютеров пройдет как минимум 20 лет.

Если вы говорите, что очень полезный квантовый компьютер можно построить за 15 лет, то это, вероятно, немного преждевременно. Если вы скажете 30 лет, вероятно, будет слишком поздно. Если вы скажете 20 лет, думаю, многие из нас поверят.

Холодная вода Хуан Жэньсюня не полностью исключена из конкурентных соображений. Квантовые вычисления требуют графических процессоров для моделирования гибридных вычислений и оптимизации алгоритмов, а графические процессоры Nvidia могут расширить возможности квантовых компьютеров по обобщению искусственного интеллекта, а также могут дополнять друг друга.

Кроме того, американский стартап PsiQuantum — еще одна компания, выбранная DARPA, и ее технология квантовых вычислений основана на фотонных кубитах. В прошлом году PsiQuantum объявила об инвестициях в размере 620 миллионов долларов в Австралию для создания полномасштабной системы квантовых вычислений.

Что касается топологических кубитов Microsoft, следует упомянуть еще одну историю об ретракции Природы.

Ученые уже давно ищут доказательства существования частиц Майораны. В 2012 году Лео Кувенховен и его международная команда опубликовали работу, в которой впервые экспериментально намекнули на существование частиц Майораны.

Исследование также было названо одним из десяти лучших прорывов года по версии журнала Physics World.

В 2016 году Microsoft основала Microsoft Quantum Lab и наняла Кувенховена директором по развитию исследований майорановских кубитов. Два года спустя их усилия, похоже, достигли крупного прорыва: была опубликована сенсационная статья в журнале Nature.

В этой статье упоминается, что они наблюдали два электрона парами на конце нанопроволоки в среде с чрезвычайно низкой температурой 0,02 К, причем один электрон находился в полупроводниковой части, а другой электрон – в сверхпроводящем слое.

Но проблема в том, что они могут доказать только существование одной пары электронов, но не другой пары, что является необходимым условием для образования майорановских кубитов.

Столкнувшись со скептицизмом со стороны научного сообщества, команда Кувенховена повторно проанализировала исходные данные и перестроила экспериментальную установку для калибровки определенных параметров. Было обнаружено, что экспериментальные результаты предыдущих работ трудно воспроизвести.

В 2023 году журнал Nature официально опубликовал заявление об опровержении, и команда Кувенховена также прагматично признала недостатки статьи в научной строгости и извинилась перед академическим сообществом.

Углубленное расследование показало, что исследовательская группа не совершала мошенничества, однако проверка данных и экспериментальные ошибки действительно имели место.

Сообщается, что это опровержение впоследствии вызвало в академическом сообществе множество дискуссий по поводу «чрезмерной шумихи» в области исследований в области квантовых вычислений. Это также важная причина, по которой генеральный директор Microsoft специально подчеркнул в объявлении о платформе X, что выпуск Majorana 1 не был хайпом.

Конечно, исследования в области квантовых вычислений чрезвычайно сложны, и опровержение не отрицает осуществимость пути Майораны в области кубитовой технологии. По сравнению с документом, выпущенным в 2018 году, семь лет спустя, «упрямая» Microsoft, возможно, переписала незаконченную историю с Majorana 1.

# Добро пожаловать на официальную общедоступную учетную запись WeChat aifaner: aifaner (идентификатор WeChat: ifanr). Более интересный контент будет предоставлен вам как можно скорее.

Ай Фанер | Исходная ссылка · Посмотреть комментарии · Sina Weibo