Будь-хто, хто відвідував уроки природознавства в третьому класі, знає, що існує три основні стани матерії: твердий, рідкий та газоподібний.
Тепер Microsoft заявляє, що створила новий стан матерії у своєму прагненні створити потужну машину, яка називається квантовим комп'ютером, яка могла б прискорити розробку всього: від батарей до ліків та штучного інтелекту.
Вчені Microsoft заявили, що створили те, що відомо як «топологічний кубіт» на основі цієї нової фази фізичного існування, який можна використовувати для вирішення математичних, наукових та технологічних завдань.
З цією розробкою Microsoft підвищує ставки в тому, що має стати наступним великим технологічним змаганням, яке виходить за межі сьогоднішніх перегонів за штучний інтелект. Вчені гналися за мрією про квантовий комп'ютер — машину, яка могла б використовувати дивну та надзвичайно потужну поведінку субатомних частинок або дуже холодних об'єктів — із 1980-х років.
Поштовх посилився в грудні, коли Google представила експериментальний квантовий комп'ютер, якому знадобилося всього п'ять хвилин, щоб виконати розрахунок, який більшість суперкомп'ютерів не змогли б виконати за 10 септильйонів років — довше, ніж вік відомого Всесвіту.
Квантова технологія Microsoft може обійти методи, які розробляються в Google. В рамках свого дослідження компанія побудувала кілька топологічних кубітів усередині нового типу комп'ютерного чипа, який поєднує в собі сильні сторони напівпровідників, які живлять класичні комп'ютери, із надпровідниками, які зазвичай використовуються для створення квантового комп'ютера.
Коли такий чип охолоджується до надзвичайно низьких температур, він поводиться незвичайним і потужним чином, що, на думку Microsoft, дозволить йому вирішувати технологічні, математичні та наукові завдання, які класичні машини ніколи не могли б вирішити. Компанія заявила, що ця технологія не така мінлива, як інші квантові технології, що спрощує використання її потужності.
Деякі сумніваються, чи досягла Microsoft цієї віхи, і багато провідних вчених заявили, що квантові комп'ютери не будуть повністю реалізовані протягом десятиліть. Але вчені Microsoft заявили, що їхні методи допоможуть досягти фінішної межі раніше.
"Ми розглядаємо це як щось, що відбудеться через роки, а не десятиліття", - сказав Четан Наяк, технічний співробітник Microsoft, який очолював команду, яка створила цю технологію.
Технологія Microsoft, яка була докладно описана в дослідницькій статті, опублікованій у науковому журналі Nature, надає нового імпульсу перегонам, які можуть змінити технологічний ландшафт. Окрім прискорення прогресу в багатьох технологічних та наукових галузях, квантовий комп'ютер може бути досить потужним, щоб зламати шифрування, яке захищає національні секрети.
Будь-які досягнення матимуть геополітичні наслідки. Навіть попри те, що Сполучені Штати вивчають квантові обчислення в основному через такі корпорації, як Microsoft і хвилю стартапів, китайський уряд заявив, що інвестує в цю технологію 15,2 мільярда доларів. Європейський союз виділив 7,2 мільярда доларів.
Квантові обчислення, що ґрунтуються на десятиліттях досліджень у галузі фізики, званої квантовою механікою, все ще є експериментальною технологією. Але після недавніх успіхів Microsoft, Google та інших вчені впевнені, що ця технологія зрештою виправдає свої очікування.
"Квантові обчислення - це захоплива перспектива для фізики та для світу", - сказав Френк Вільчек, фізик-теоретик з Массачусетського технологічного інституту.
Щоб зрозуміти квантові обчислення, корисно знати, як працює традиційний комп'ютер. Смартфон, ноутбук або настільний ПК використовують крихітні чипи, зроблені з напівпровідників, які є матеріалами, які проводять електрику в деяких, але не у всіх ситуаціях. Ці чипи зберігають і обробляють числа, складаючи їх, помножуючи й таке інше. Вони виконують ці обчислення, маніпулюючи "бітами" інформації. Кожен біт містить або 1 або 0.
Квантовий комп'ютер працює по-іншому. Квантовий біт, або кубіт, ґрунтується на цікавій поведінці субатомних частинок або екзотичних матеріалів, охолоджених до надзвичайно низьких температур.
Коли він або дуже малий, або дуже холодний, один об'єкт може поводитися як два окремі об'єкти одночасно. Використовуючи цю поведінку, вчені можуть створити кубіт, який містить комбінацію 1 і 0. Це означає, що два кубіти можуть містити чотири значення одночасно. І зі зростанням кількості кубітів квантовий комп'ютер стає експоненційно більш потужним.
Компанії використовують різні методи створення цих машин. У Сполучених Штатах більшість, включаючи Google, створюють кубіти з використанням надпровідників, які є матеріалами, що проводять електрику, не втрачаючи енергію, що передається ними. Вони виробляють ці надпровідники, охолоджуючи метали до дуже низьких температур.
Microsoft зробила ставку на підхід, який використовують деякі інші: об'єднання напівпровідників з надпровідниками. Основний принцип — разом із назвою топологічний кубіт — було вперше запропоновано 1997 року Олексієм Китаєвим, американським фізиком.
Компанія почала працювати над цим незвичайним проєктом на початку 2000-х років, коли багато дослідників не вважали таку технологію можливою. Це найтриваліший дослідницький проєкт Microsoft.
"Це те, на що зробили ставку всі три генеральні директори цієї компанії", - сказав в інтерв'ю Сатья Наделла, генеральний директор Microsoft. (Попередні генеральні директори компанії були Білл Гейтс, засновник, і Стів Балмер, який керував Microsoft на початку 2000-х років.)
Компанія створила один пристрій, який частково складається з арсеніду індію (тип напівпровідника) та частково з алюмінію (надпровідник за низьких температур). Коли його охолоджують приблизно до 400 градусів нижче нуля, він виявляє свого роду потойбічну поведінку, яка може уможливити квантові комп'ютери.
Філіп Кім, професор фізики в Гарварді, сказав, що новий витвір Microsoft має важливе значення, оскільки топологічні кубіти можуть прискорити розробку квантових комп'ютерів. "Якщо все вийде, дослідження Microsoft можуть стати революційними", - сказав він.
Але Джейсон Елісеа, професор теоретичної фізики в Каліфорнійському технологічному інституті, засумнівався, що компанія справді побудувала топологічний кубіт, заявивши, що поведінку квантових систем часто важко довести.
«Топологічний кубіт у принципі можливий, і люди згодні, що це мета, що стоїть», — сказав доктор Елісеа. «Однак необхідно перевірити, чи поводиться пристрій всіма магічними способами, які передбачає теорія; в іншому випадку реальність може виявитися менш райдужною для квантових обчислень. На щастя, Microsoft тепер налаштована спробувати».
Microsoft заявила, що побудувала лише вісім топологічних кубітів, і що вони поки що не можуть виконувати обчислення, які змінять природу обчислень. Але дослідники компанії бачать у цьому крок до створення чогось значно потужнішого.
На цей момент технологія досі припускається занадто багато помилок, щоб бути по-справжньому корисною, хоча вчені розробляють способи зменшення помилок.
Минулого року Google показала, що зі збільшенням кількості кубітів вона може експоненційно скоротити кількість помилок за допомогою складних математичних методів.
Виправлення помилок стане менш складним і ефективнішим, якщо Microsoft зможе вдосконалити свої топологічні кубіти, кажуть багато вчених.
Хоча кубіт може одночасно зберігати кілька значень, він обтяжений невіддільною проблемою. Коли дослідники намагаються прочитати інформацію, що зберігається в кубіті, він «декогерує» і колапсує класичний біт, який містить тільки одне значення: 1 або 0.
Це означає, якщо хтось спробує прочитати кубіт, він втратить свою базову потужність. Тому вченим потрібно розв'язати суттєву проблему: як побудувати комп'ютер, якщо він ламається щоразу, коли ви ним користуєтеся?
Методи виправлення помилок Google – це спосіб розв'язання цієї проблеми. Microsoft вважає, що може розв'язати проблему швидше, оскільки топологічні кубіти поводяться по-іншому і теоретично менш схильні до колапсу, коли хтось читає інформацію, що зберігається в них.
"Це робить кубіт справді добрим", - сказав доктор Наяк.
