Microsoft nakreślił realną ścieżkę do układu kwantowego o milionie kubitów, wprowadzając nowy procesor kwantowy Majorana 1. Zobaczmy, czy ten nowy stan materii będzie przełomem dla obliczeń kwantowych.

Obliczenia kwantowe były często uważane za kolejną granicę technologii, obiecującą rozwiązania problemów, które przewyższają możliwości najpotężniejszych dzisiejszych superkomputerów. Przez lata naukowcy zmagali się jednak z wyzwaniem, jak zbudować maszynę, która poradzi sobie z wymagającą fizyką kubitów, podstawowych jednostek informacji w systemach kwantowych, bez załamywania się pod wpływem szumów, niestabilności i wyzwań związanych ze skalowaniem.

Teraz Microsoft twierdzi, że wyznaczył nowy kurs dzięki swojemu chipowi Majorana 1, innowacji, którą nazywa architekturą Topological Core. W przeciwieństwie do konwencjonalnych kubitów wykonanych ze znanych półprzewodników lub materiałów nadprzewodzących, Majorana 1 opiera się na czymś zupełnie nowym: przewodnikach topologicznych. Materiały te mogą tworzyć nowy stan materii – stan topologiczny, który różni się od tradycyjnego ciała stałego, cieczy lub gazu.

Ale dlaczego ma to znaczenie? I, co ważniejsze, dlaczego ktokolwiek poza fizykami kwantowymi powinien się tym przejmować? Dzieje się tak dlatego, że obietnica obliczeń kwantowych wykracza poza granice laboratoriów naukowych, dotykając wszystkiego, od opracowywania samonaprawiających się materiałów budowlanych po optymalizację katalizatorów, które rozkładają plastik na nieszkodliwe produkty uboczne. Microsoft ma nadzieję, że dzięki Majorana 1 zobaczymy te przełomy w ciągu „lat, a nie dziesięcioleci”.

Również interesujące: O komputerach kwantowych w prostych słowach

Inne spojrzenie na kubity

Sercem postępów Microsoftu jest nowy materiał przewodzący. Opracowany z arsenku indu (półprzewodnika) i aluminium (nadprzewodnika), jest „dosłownie atomizowany atom po atomie”, jak opisał go jeden z badaczy. Rezultatem jest nieskazitelne medium, które wspiera nieuchwytne cząstki kwantowe znane jako fermiony Majorany.

Fermiony Majorany są teoretycznie jednym z najbardziej niezawodnych sposobów przechowywania informacji kwantowych. Ze względu na swoje egzotyczne właściwości, pomagają chronić dane przed hałasem środowiskowym, utrzymując delikatne stany kwantowe w stanie nienaruszonym. Tradycyjnie kubity są niezwykle wrażliwe, podatne na proces rozpadu koherencji (zwany dekoherencją), gdy tylko zaczną oddziaływać z błądzącymi sygnałami elektromagnetycznymi, wahaniami temperatury lub nawet najmniejszymi zakłóceniami. Ta kruchość przez długi czas stanowiła przeszkodę w budowaniu niezawodnych komputerów kwantowych.

Teraz jednak Microsoft twierdzi, że topologiczne kubity Majorana 1 zawierają „tolerancję na błędy na poziomie sprzętowym”, zasadniczo wplatając stabilność w samą strukturę kubitu. Mówiąc prościej, może to uczynić maszyny kwantowe znacznie bardziej praktycznymi i łatwiejszymi do skalowania.

„Cofnęliśmy się o krok i powiedzieliśmy: „Ok, wymyślmy tranzystor dla ery kwantowej. Jakie właściwości musi mieć?” – powiedział Chetan Nayak, pracownik techniczny w Microsoft. „I tak naprawdę to, jak tu dotarliśmy, to specjalna kombinacja, jakość i ważne szczegóły w naszym nowym zestawie materiałów, które pozwoliły nam stworzyć nowy typ kubitu i ostatecznie całą naszą architekturę”.

Również interesujące: Czym jest DeepSeek i dlaczego wszyscy o nim mówią?

Dlaczego ten przełom jest tak znaczący

Obliczenia kwantowe mają potencjał, by zrewolucjonizować sposób, w jaki rozwiązujemy problemy, zwłaszcza te obejmujące ogromne ilości danych lub złożone interakcje w chemii, fizyce i materiałoznawstwie. Jednak jak dotąd trudno było uzyskać niezawodne działanie nawet kilkuset lub kilku tysięcy kubitów.

Jednym z nieodłącznych problemów jest fakt, że kubity są podatne na błędy. Budowanie systemów z korekcją błędów zazwyczaj wymaga dużego narzutu dodatkowych kubitów, aby ustabilizować tylko kilka „logicznych kubitów”, które wykonują obliczenia.

Podejście topologiczne ma na celu zmniejszenie narzutu korekcji błędów poprzez uczynienie każdego kubitu bardziej stabilnym wewnętrznie. Jest to znaczący krok naprzód w dążeniu do stworzenia maszyny zdolnej do przetwarzania miliona kubitów. Jest to próg, który zdaniem ekspertów jest niezbędny do rozwiązywania rzeczywistych problemów, takich jak badania nad nowymi lekami, optymalizacja złożonych łańcuchów dostaw lub odkrywanie samonaprawiających się materiałów, które mogą naprawiać pęknięcia w mostach, częściach samolotów, a nawet zadrapania na ekranach telefonów.

Osiągnięcie miliona kubitów w chipie mieszczącym się w dłoni wydaje się być science fiction. Microsoft wierzy jednak, że taką skalę można osiągnąć dzięki architekturze Topological Core.

„Cokolwiek robisz w przestrzeni kwantowej, musi istnieć droga do miliona kubitów. Jeśli tego nie zrobisz, uderzysz w ścianę, zanim osiągniesz skalę potrzebną do rozwiązania naprawdę ważnych problemów, które nas motywują” – powiedział Nayak. „W rzeczywistości pomyśleliśmy o drodze do miliona”.

Ponowne przemyślenie kontroli i pomiarów

Qubity nie tylko muszą istnieć w stabilnym stanie. Naukowcy muszą je również mierzyć, aby uzyskać przydatne odpowiedzi. Tradycyjne podejścia często opierają się na analogowym dostrajaniu każdego kubitu, co jest złożonym, czasochłonnym procesem, który staje się niemożliwy do opanowania wraz ze wzrostem liczby kubitów.

Microsoft omija tę pułapkę, wprowadzając „cyfrowy przełącznik” łączący końce nanodrutu (gdzie znajdują się kubity) z tak zwaną kropką kwantową. Ta kropka przechowuje ładunek elektryczny, który zmienia się w zależności od liczby obecnych elektronów, podobnie jak w przypadku określania różnicy między „miliardem” a „miliardem i jednym”. Ta różnica w ładunku pokazuje, czy kubit jest w stanie parzystym czy nieparzystym, co jest podstawową częścią danych dla obliczeń kwantowych.

Co ważne, pomiary można włączać i wyłączać za pomocą impulsów napięcia, co bardziej przypomina przełączanie cyfrowego przełącznika niż ustawianie czułych dysków. Uwalnia to inżynierów od kalibracji każdego kubitu z osobna, potencjalnie zmniejszając złożoność systemu o rzędy wielkości. A ponieważ jest stabilny na poziomie sprzętowym, proces wymaga mniejszej liczby dodatkowych kubitów do korygowania błędów.

Również interesujące: Co to jest MIL-STD-810H: Przewodnik po testach i certyfikacji sprzętu

Tworzenie niemożliwego: nowy stan materii

Pojęcie topologicznego stanu materii, fazy materii innej niż ciała stałe, ciecze lub gazy, może brzmieć jak abstrakcyjna mechanika kwantowa. Ale w rzeczywistości jest to podstawa tego podejścia. Stworzenie topologicznych przewodników wymagało od Microsoftu opracowania zupełnie nowego rodzaju materiału.

Topologiczna architektura kubitów Microsoftu, w kształcie małej litery „H” wykonanej z aluminiowych nanodrutów, łączy cztery kontrolowane kubity w jeden kubit. Te pojedyncze kubity można następnie rozmieścić na chipie, zapewniając prostą ścieżkę do skalowania.

„To trudne, ponieważ musieliśmy pokazać nowy stan materii, aby to osiągnąć, ale potem jest to całkiem proste. To kafelek. Ma Pan znacznie prostszą architekturę, która obiecuje znacznie szybszą ścieżkę do skalowania” – powiedziała Krista Sware, inny pracownik techniczny Microsoftu.

Ten nowy stan materii jest również powodem, dla którego same fermiony Majorany są tak nieuchwytne: natura nie tworzy ich spontanicznie. Wymagają one temperatury bliskiej zera absolutnego, starannie wyrównanych pól magnetycznych i bezbłędnego interfejsu między nadprzewodzącym aluminium a półprzewodzącym arsenkiem indu, aby mogły powstać. Wystarczy jedno zakłócenie w strukturze atomów i qubit przestaje działać. Jest to niesamowity przełom w dziedzinie materiałoznawstwa i pokazuje skalę wyzwań inżynieryjnych, które Microsoft musiał pokonać.

Również interesujące: Chipset Qualcomm Snapdragon X Elite do laptopów: wszystko, co musisz wiedzieć

Droga do prawdziwych rozwiązań

Podobnie jak w przypadku wszelkich odważnych badań w dziedzinie obliczeń kwantowych, pełne wykorzystanie ich wyników zajmie lata. Microsoft pozycjonuje jednak Majoranę 1 jako brakujący element układanki, który przyspieszy zdolność Quantum do rozwiązywania problemów kształtujących przemysł. Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obszarze Obronności (Defence Advanced Research Projects Agency, DARPA), odpowiedzialna za finansowanie technologii wysokiego ryzyka i wysokiej wartości, wydaje się zgadzać z tą opinią. Microsoft jest jedną z dwóch firm wybranych do ostatniej fazy programu DARPA Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC), którego celem jest stworzenie pierwszego odpornego na błędy komputera kwantowego o rzeczywistej wartości komercyjnej.

Implikacje są ogromne. Dzięki systemowi milionów kubitów naukowcy mogą teoretycznie rozwiązać najbardziej złożone zagadki chemiczne, wyjaśnić, dlaczego niektóre materiały korodują lub pękają, lub wyjaśnić, w jaki sposób niektóre enzymy działają jako katalizatory w rolnictwie i opiece zdrowotnej.

Takie odkrycia mogłyby doprowadzić do powstania samonaprawiającej się infrastruktury, skuteczniejszych leków lub uniwersalnego sposobu degradacji plastiku i zwalczania zanieczyszczenia mikroplastikami. W połączeniu z postępami w dziedzinie sztucznej inteligencji, komputery kwantowe mogłyby przekształcić nasze cele w „przepisy” na nowe materiały, prawdopodobnie eliminując lata prób i błędów w badaniach i rozwoju.

„Od samego początku chcieliśmy zbudować komputer kwantowy z myślą o wpływie komercyjnym, a nie tylko o przywództwie” – powiedział Matthias Troyer, pracownik techniczny Microsoft. „Wiedzieliśmy, że potrzebujemy nowego kubitu. Wiedzieliśmy, że musimy się skalować”.

Punkt zwrotny dla Quantum

Pod wieloma względami zmagania w dziedzinie obliczeń kwantowych odzwierciedlają wczesne dni rewolucji półprzewodnikowej. Inżynierowie wiedzieli, że praktyczne tranzystory zmienią świat, ale najpierw musieli rozwiązać liczne wyzwania związane z materiałami i projektowaniem obwodów.

Podobnie, nadprzewodniki mają potencjał, aby zrobić dla obliczeń kwantowych to, co półprzewodniki zrobiły kiedyś dla klasycznych obliczeń i zapewnić stabilną, skalowalną podstawę potrzebną dla następnej generacji mocy obliczeniowej.

Sam chip Majorana 1, zaprojektowany tak, by pomieścić milion kubitów i mieć wielkość dłoni, sygnalizuje, że era kwantowych „milionów kubitów” może być bliżej niż nam się wydaje. Oczywiście prawdziwe maszyny kwantowe na dużą skalę wciąż wymagają lat rozwoju.

Lodówki rozcieńczające, cyfrowa logika sterowania, stos oprogramowania i cały ekosystem obliczeniowy muszą pasować do siebie bezbłędnie. Podejście topologiczne częściowo usunęło jednak największą naukową przeszkodę: „jak utrzymać stabilność kubitów i niezawodnie je mierzyć”.

„Jedną rzeczą jest odkrycie nowego stanu materii” – powiedział Nayak – „inną jest wykorzystanie go do przedefiniowania obliczeń kwantowych na dużą skalę”. Wydaje się, że Microsoft dokonał obu tych rzeczy, przenosząc technologię kwantową poza laboratorium i popychając ją w kierunku praktycznego wpływu. Poszukiwanie stabilnych kubitów może w końcu ustąpić miejsca erze, w której sprzęt kwantowy jest bardziej niezawodny, ścieżka do miliona kubitów jest zmapowana, a komercyjne zastosowania są w drodze.

Jeśli ta technologia spełni swoją obietnicę, będzie to coś więcej niż tylko punkt zwrotny dla Microsoftu. Może to oznaczać zmianę paradygmatu w sposobie opracowywania wszystkiego, od zaawansowanych materiałów i farmaceutyków po złożone rozwiązania środowiskowe. I właśnie dlatego Majorana 1 jest tak wielkim wydarzeniem.