Снова в моде

В начале 2025 года в центре внимания всех интересующихся квантовыми вычислениями снова оказалась компания Microsoft — из-за выхода новой статьи в Nature, посвященной майорановским топологическим кубитам. Казалось бы, предыдущие попытки компании преуспеть в этой области закончились неудачей, привели к серьезным репутационным потерям, увольнению ключевых сотрудников и чуть ли не закрытию программы еще в 2022 году, о чем мы подробно рассказывали в материале «Наплели моду». Неужели за три года Microsoft смогла перезагрузить проект и решить проблемы, из-за которых пришлось отозвать предыдущие публикации?

От Майораны к Microsoft

Кратко напомним предысторию. История майорановских фермионов — частиц, которые одновременно являются и собственными античастицами — началась еще в 1937 году, когда Этторе Майорана предположил, что такие частицы теоретически возможны. До практики идея добралась только в начале 2000-х: российский физик Алексей Китаев и американский математик Майкл Фридман придумали, как ее можно реализовать в форме если не элементарных частиц, то хотя бы квазичастиц, а Microsoft быстро подсуетилась и открыла квантовое подразделение Station Q для экспериментального создания топологического кубита на основе майоранов.

Позже Лео Коувенховен из Делфтского университета обнаружил, что эти квазичастицы — майорановские нулевые моды — можно возбуждать в полупроводниковых нанопроволоках, покрытых сверхпроводником. Его работы вызвали резонанс, Microsoft инвестировала в эти исследования миллионы, а лаборатория в Делфте — Station Q, которую возглавил Фридман, — стала центром поисков майорановских фермионов.

В отличие от самых популярных сегодня квантовых вычислителей на сверхпроводниковых, фотонных, ионных или нейтрально-атомных кубитах, потенциальные топологические кубиты — единственные с теоретически возможной «встроенной» системой защиты от ошибок. Вот почему Microsoft выбрала именно их. Но доказать существование и управляемость майорановских фермионов оказалось куда труднее, чем предполагалось.

В 2021–2022 годах бывшие ученики Коувенховена, Сергей Фролов и Винсент Моурик, показали, что эффекты, принятые за сигналы от обнаруженных майорановских фермионов, вполне могут происходить и в системах без майоранов. Статьи были отозваны, сотрудничество Коувенховена c Microsoft свернуто, и сам ученый покинул проект. Тем не менее, поиск частиц в компании не прекратили — и в следующих работах постарались исправить недочеты первого эксперимента.

Подробнее про всю эту историю читайте в материале «Наплели моду».

Точно майораны?

Основной вопрос к работам Коувенховена заключался в том, действительно ли обнаруженные им нулевые энергетические состояния в нанопроволоке являются майорановскими нулевыми модами — квазичастицами, потенциально пригодными для топологических квантовых вычислений. По утверждениям нидерландского физика, в нанопроволоке, покрытой сверхпроводником, при определенных условиях — магнитном поле, низких температурах и нужном напряжении на затворах — должны появиться особые квазичастицы: нулевые майорановские моды. Это состояния электронной системы внутри проволоки, которые ведут себя одновременно как электрон и как дырка и появляются строго по краям провода.

Сложность в том, что увидеть эти состояния напрямую нельзя. Поэтому физики подтверждают их по косвенным признакам: обычно они измеряют проводимость на конце провода и ищут нужный устойчивый пик при нулевом напряжении. Но у этого подхода есть важное ограничение: точно такой же пик может появиться и из-за андреевского отражения, при котором электрон отражается от границы сверхпроводника и превращается в дырку.

Андреевские состояния — это локальные возбуждения, они чувствительны к параметрам системы и легко меняются или пропадают при колебаниях параметров. Поэтому использовать их для квантовых вычислений нельзя.

Отличить эти два состояния, тем не менее, можно — и именно протокол фильтрации защищенных майорановских мод от всех остальных неподходящих состояний исследователи из Microsoft предложили в последней работе. Сигнал, на котором основан протокол фильтрации «ложных срабатываний», — это устойчивый пик дифференциальной проводимости нанопровода при нулевом напряжении. Резкий рост проводимости свидетельствует о наличии нулевого энергетического состояния — это может быть и майорановская нулевая мода, и андреевское состояние. Но отличия между пиками для этих двух состояний есть. Разница, например, в том, где именно возникает этот пик: для майоранов — симметрично на обоих концах провода, а для андреевского отражения — только на одном.

Традиционно закрепилась практика подтверждать наблюдение майоранов в одностороннем измерении, и в большинстве работ сигнал на втором конце проволоки просто не измеряли. Именно это стало основой для критики экспериментов Коувенховена.

Поэтому в новом протоколе в Microsoft предложили не просто смотреть на сигнал проводимости, а интерферометрически измерять четность. То есть исследователи проверяют, четное или нечетное количество фермионных частиц находится в системе. Для майорановских мод это критически важно: предполагается, что пара мод кодирует квантовую информацию именно в форме фермионной четности. Если получится измерить четность, не разрушив при этом нужное состояние электронной системы, то будет возможно «прочитать» квантовое состояние.

Систему собрали таким образом, чтобы квазичастицы в ней (это могут быть и

Почему электрон тоже может быть квазичастицей — читайте в материале «Зоопарк квазичастиц».

, дырки или майораны) могли пойти по разным путям и затем снова «встретиться». Если майорановские моды оказываются в нечетном состоянии, это влияет на фазу волновой функции — и интерференция нарушается. А если в четном — интерференция сохраняется. Наблюдая эти различия, можно понять, какой именно квантовый режим реализован.

По словам авторов статьи, этот протокол позволяет оценить вероятность неуловленных (ложноотрицательных) событий, а не ложноположительных. То есть протокол часто (но не всегда) срабатывает на майорановские моды и никогда не срабатывает на все остальные, отодвигая таким образом границу детектирования дальше от паразитных состояний. Поэтому и в самой статье ученые используют мягкую осторожную формулировку: «моды с высокой вероятностью являются майорановскими» — это все еще не строгий экспериментальный протокол. То есть ученые измеряют изменение четности числа электронов в нанопроводах, что необходимо для построения майорановских нулевых мод, но до сих пор не могут утверждать прямо, что действительно получили майорановские фермионы.

Топологично ли?

Следующий важный шаг — создание топологически защищенного кубита. Изначальная идея Алексея Китаева была не просто в создании майорановских фермионов, а их «переплетение во времени» — переплетение их мировых линий. Если квантовое состояние зафиксировано таким образом, то результат квантовой операции над ним фиксируется топологически, а не тонкими параметрами среды — и потому защищен от внешних помех, вроде флуктуаций температуры или локальных дефектов.

Ученые из Microsoft трактовали «топологичность» довольно широко. Свой собранный из пойманных на концах провода майораноподобных квазичастиц кубит они назвали «топологическим», потому что посчитали, что локализация состояния на двух концах делает его устойчивым к локальным шумам. То есть если внешние шумы затрагивают только один конец провода, то нужное состояние не разрушится, а вероятность того, что шумы затронут сразу оба конца провода — мала. Это практически применимая форма топологической защиты, но значительно менее строгая, чем в изначальной теории. В этом смысле понятие топологичности в этих работах становится более размытым и отходит от начальной идеи Китаева. Получается, что строгий ответ о топологичности кубитов в ее изначальном смысле авторы на самом деле не дают.

Проверь, если сможешь

Еще одним существенным вопросом к статье 2018 года было то, что для основных выводов физики использовали выборочные данные, методы их анализа были неоднозначными, а большинство данных не публиковалось из-за коммерческой тайны. Это сильно осложняло возможность воспроизвести эксперимент и проверить его на достоверность.

В новой работе компания сделала шаг навстречу научному сообществу: предоставила полный набор (примерно 100 гигабайт) данных, опубликовала код обработки и подробно ответила на вопросы по методикам анализа и выборке.

Тем не менее, без погружения в технические тонкости полностью воспроизвести обработку крайне затруднительно. То есть техническая воспроизводимость есть, но она все еще требует усилий и интерпретации.

От кубита к компьютеру

Предположим, что ученые из Station Q действительно сделали топологически защищенный майорановский кубит. Но даже если он работает, то сразу возникает главный вопрос: как из таких кубитов построить масштабируемую систему? Microsoft предлагает возможное решение: использовать архитектуру, основанную на последовательных измерениях — measurement-based quantum computing (MBQC).

Это известный, но сложный на практике подход. В отличие от традиционных схем, где квантовое вычисление проводят на схеме из логических вентилей, в случае MBQC эту роль выполняет серия последовательных измерений над заранее подготовленным запутанным состоянием. Для этого ученые сначала создают кластерное состояние — большой массив запутанных кубитов, а затем измеряют каждый кубит по очереди в определенном базисе. При этом что именно вычисляет эта система — определяется направлением и порядком измерений. 

Основная сложность такого подхода в том, что кластерные состояния должны быть очень чистым и большими: любые ошибки при их подготовке или измерении могут разрушить все вычисление. Другая возможная проблема — затрудненная обратная связь с классическим компьютером, а она для контроля измерений в зависимости от предыдущих результатов должна быть быстрой. Кроме того, в такой системе топологических кубитов затруднены двухкубитные операции в случайной паре кубитов, сложно обеспечить высокую связность и удержать большое запутанное состояние.

На шаг ближе

Очевидно, что новая работа Microsoft — это важный шаг вперед: физики продемонстрировали новый метод измерения квантовых состояний, открыто предоставили данные и, что особенно важно, предложили более строгие критерии для различения майорановских мод и обычных возбужденных состояний. Это не финальная точка в поисках топологического кубита, но заметный поворот от прежней, более закрытой и неоднозначной стратегии.

Тем не менее, до реального квантового компьютера на топологических кубитах еще далеко. Пока авторы спекулируют при трактовке топологической защиты и не дают однозначного ответа насчет масштабируемости и физической реализации логических операций, предложенная ими схема больше похожа на продвинутую демонстрацию возможностей платформы, чем полноценный прототип вычислителя.