Каково топологическое состояние, четвертое состояние материи, которого, как говорят, достигла компания Microsoft?

Компания Microsoft объявила о крупном прорыве в развитии квантовых вычислений, представив свой чип Majorana 1 , основанный на топологической сверхпроводимости.

Это устройство использует частицы, называемые майорановскими фермионами, для повышения стабильности квантовых кубитов, значительно уменьшая ошибки и внешние помехи. Ключ к этому прогрессу лежит в освоении экзотического состояния материи, известного как топологическое состояние.

Топологическое состояние материи привлекло внимание ученых и технологов своими уникальными свойствами, которые могут произвести революцию не только в квантовых вычислениях, но также в электронике и физике материалов. Но что именно представляет собой это состояние и почему оно так важно?

Концепция топологического состояния материи возникла в топологии — разделе математики, изучающем свойства объектов, которые остаются неизменными при непрерывных деформациях, таких как растяжение или скручивание, до тех пор, пока они не ломаются или не сплавляются. В физике материалов топология описывает, как определенные электронные свойства могут быть устойчивы к возмущениям или примесям.

Материал в топологическом состоянии имеет ключевую характеристику: в то время как его внутренняя часть ведет себя как изолятор, его края или поверхности могут проводить электричество без сопротивления. Эта особенность обусловлена ​​электронной структурой материала, которая защищает краевые состояния от внешних возмущений, гарантируя стабильное и высокоэффективное управление.

Изучение топологических состояний материи получило значительный импульс в 2016 году, когда физики Дэвид Таулесс, Дункан Холдейн и Майкл Костерлиц были удостоены Нобелевской премии по физике за исследования топологических фазовых переходов. Их открытия помогли понять, как определенные фазы материи могут появляться в экстремальных условиях, например, при температурах, близких к абсолютному нулю.

Одним из наиболее примечательных явлений в этой области является квантовый эффект Холла, при котором металлическая фольга, подвергнутая воздействию магнитного поля при чрезвычайно низких температурах, проявляет квантованную электрическую проводимость по краям, в то время как ее внутренняя часть остается изолирующей. Это явление имело основополагающее значение для разработки современных электронных устройств.

Квантовые вычисления способны решать проблемы, которые были бы неразрешимы с помощью обычных компьютеров. Однако одной из главных проблем является стабильность кубитов, поскольку они чрезвычайно чувствительны к внешним возмущениям, которые могут привести к ошибкам в вычислениях.

Именно здесь топологические состояния играют решающую роль. Топологическая сверхпроводимость, подобная той, что используется в чипе Majorana 1 компании Microsoft, сочетает в себе способность определенных материалов проводить электричество без сопротивления с устойчивостью топологических состояний. В результате кубиты, генерируемые в этом состоянии, по своей природе более стабильны и менее подвержены потере квантовой когерентности.

Компания Microsoft успешно изготовила топологические сверхпроводящие нанопровода, работающие при температурах, близких к абсолютному нулю, что представляет собой важный шаг на пути к созданию практичных и масштабируемых квантовых компьютеров.

Открытие и применение топологического состояния материи открывает новые возможности во многих областях: от электроники до квантовых вычислений. Благодаря тому, что такие компании, как Microsoft, делают ставку на эту технологию, будущее квантовых вычислений выглядит более радужным, чем когда-либо. По мере развития исследований мы, вероятно, увидим в ближайшие годы новые удивительные применения этого состояния вещества.