Компании, предлагающие услуги квантовых вычислений, обычно работают с одним из двух основных типов квантовых чипов. Первый — трансмон, сверхпроводящий заряд-кубит с акустическим резонатором, который применяют в Google, IBM и Rigetti. Другие — Quantinuum или IonQ — используют отдельные ионы в световых ловушках. И хотя обе технологии продемонстрировали свою эффективность, им нужен качественный скачок вперед, чтобы начать выполнять полезные вычисления.

Microsoft взялась за разработку квантовых компьютеров позже конкурентов, поскольку основная физика ее системы не была полностью ясна. Альтернативный подход компании заключается в производстве «фермиона Майораны», существование которого было подтверждено только в последнее десятилетие. Эта элементарная частица была названа в честь физика Этторе Майораны. Если говорить упрощенно, майорановская частица является собственной античастицей. Две таких частицы, отличающиеся спином, аннигилируют друг друга при встрече.

До сих пор фермионы Майораны ученым не попадались, но в ходе экспериментов наблюдались квазичастицы, которые вели себя, как майорановские фермионы.

Самая известная майорановская квазичастица — куперовская пара, в которой два электрона соединяются так, что это меняет их поведение. Система Microsoft состоит из сверхпроводящей проводки и куперовских пар. В обычных условиях дополнительный, непарный электрон меняет полную энергию системы. Но в квантовом мире можно поместить электрон на конец провода без энергетических затрат.

«В топологическом состоянии и топологическом сверхпроводнике у вас возникают состояния, которые могут, без затрат энергии, впитать дополнительные электрон», — сказал инженер компании Четан Найак в интервью Ars Technica. По законам кватовой механики электрон не локализован на конце провода, где он находится. Вместо этого он делокализован на обоих концах. «Эти два конца — фактически, реальные и воображаемые части квантовой волновой функции», — пояснил Найак. Они называются майорановскими нулевыми модами, и Microsoft создала их и измерила их функции.

Сами по себе майорановские нулевые моды не могут применяться как кубиты. Но их можно связать с соседней квантовой точкой. Тогда она получает возможность хранить заряд, а это можно измерить. Кроме того, соединение между проводом и квантовой точкой можно прервать, что позволит сохранить состояние майорановских нулевых модов.

Пока Microsoft этого не сделала, но уже достигнут большой прогресс в этом направлении. Инженеры компании решили попробовать необычные материалы: алюминий для сверхпроводящей проводки и арсенид индия в качестве сверхпроводника. Все устройства Microsoft разрабатывает самостоятельно.

Кроме того, компания занимается оптимизацией топологической щели, что должно привести к повышению производительности устройства. В идеале кубиты уменьшатся настолько, что будут занимать площадь всего 10 кв. микрон — намного меньше, чем трансмоны или кубиты на ионных ловушках.

Компания убеждена, что всех, кто работает сейчас над другими технологиями, ждет провал, несмотря на текущие успехи. «Сегодняшние кубиты не будут основой завтрашних квантовых компьютеров. Нынешние кубиты весьма любопытны, весьма впечатляют — можно многому у них научиться, сделать множество исследований и добиться большого прогресса. Но для создания коммерческого квантового компьютера необходимы новые идеи».