Komputery kwantowe wychodzą z laboratorium. Gigantyczny przełom Microsoftu

Kluczowym elementem tego przełomu jest wykorzystanie topokonduktorów - niezwykłego typu materiałów, które umożliwiają obserwację i kontrolę cząstek Majorany. Dzięki nim możliwe jest stworzenie bardziej niezawodnych i skalowalnych kubitów, stanowiących podstawowe elementy budowy komputerów kwantowych.

Topokonduktory - oraz nowy typ układów, które umożliwiają - oferują ścieżkę do rozwoju systemów kwantowych zdolnych do działania na skalę miliona kubitów. Takie komputery będą w stanie stawić czoła najbardziej złożonym problemom przemysłowym i społecznym.

Czytaj też:

Jest to niezbędny próg, aby komputery kwantowe mogły rozwiązywać realne problemy - jak chociażby przeliczanie sposobów rozkładu mikroplastików na nieszkodliwe produkty uboczne czy wynalezienie samonaprawiających się materiałów dla budownictwa, przemysłu lub opieki zdrowotnej. Wszystkie obecne komputery na świecie działające razem nie są w stanie dokonać tego, co będzie możliwe dzięki komputerowi kwantowemu z milionem kubitów.

Topokonduktor, czyli topologiczny nadprzewodnik, to specjalna kategoria materiału, który może stworzyć całkowicie nowy stan materii – nie będący ani ciałem stałym, ani cieczą, ani gazem, lecz stanem topologicznym. Wykorzystywany jest do produkcji bardziej stabilnego kubitu, który jest szybki, mały i może być cyfrowo kontrolowany, bez kompromisów wymaganych przez obecne alternatywy.

W nowym artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature naukowcy z Microsoftu opisują, jak udało im się stworzyć egzotyczne właściwości kwantowe kubitu topologicznego i dokładnie je zmierzyć. Jest to kluczowy krok w kierunku praktycznego zastosowania tej technologii w obliczeniach. Ten przełom wymagał opracowania całkowicie nowego stosu materiałów zbudowanego z arsenku indu i aluminium, z których większość Microsoft zaprojektował i wytworzył atom po atomie. Celem było wywołanie do istnienia nowych cząstek kwantowych zwanych Majoranami i wykorzystanie ich unikalnych właściwości do osiągnięcia kolejnego horyzontu w obliczeniach kwantowych.

Pierwszy na świecie Topological Core w Majorana 1 jest niezawodny z założenia, ponieważ zakłada odporność na błędy na poziomie sprzętowym, czyniąc go bardziej stabilnym. To rozwiązanie redukuje potrzebę korygowania błędów na poziomie programowym, co jest obecnie jednym z największych wyzwań w obliczeniach kwantowych.

Komercyjnie istotne aplikacje będą wymagały bilionów operacji na milionach kubitów, co byłoby niepraktyczne przy obecnych podejściach opierających się na precyzyjnej analogowej kontroli każdego kubitu. Nowe podejście pomiarowe zespołu Microsoftu umożliwia kontrolę kubitów w sposób cyfrowy, redefiniując i znacznie upraszczając sposób działania komputerów kwantowych.

Ten postęp potwierdza decyzję Microsoftu sprzed lat o podjęciu ścieżki projektowania kubitu topologicznego – wyzwania naukowego i inżynieryjnego o wysokim ryzyku, ale potencjalnie ogromnej nagrodzie. Obecnie firma umieściła osiem kubitów topologicznych na układzie zaprojektowanym do skalowania do jednego miliona.

Komputery kwantowe zdolne do wykonywania niespotykanych dotąd operacji mogą przyczynić się do rozwoju nowych materiałów, leków czy technologii energetycznych. Dzięki możliwości symulacji złożonych systemów kwantowych możliwe stanie się rozwiązywanie problemów, które dotychczas były poza zasięgiem nawet najpotężniejszych superkomputerów.

Warto zauważyć, że Microsoft nie jest jedynym graczem w wyścigu o kwantową dominację, ale jego podejście wyróżnia się na tle konkurencji. Podczas gdy inne firmy skupiają się na bardziej tradycyjnych metodach, takich jak kubity nadprzewodzące czy pułapki jonowe, Microsoft zainwestował w badania nad kubitami topologicznymi, co teraz zaczyna przynosić wymierne korzyści.

Podstawowymi jednostkami informacji w komputerach kwantowych są kubity (kwantowe bity). W przeciwieństwie do klasycznych bitów, które mogą przyjmować wartość 0 lub 1, kubity mogą być w superpozycji obu tych stanów jednocześnie. Daje to możliwość wykonywania wielu operacji równocześnie, co znacząco zwiększa potencjał obliczeniowy takich maszyn.

Jednak kubity są niezwykle wrażliwe na zakłócenia z otoczenia. Nawet minimalne fluktuacje temperatury, drgania czy pola elektromagnetyczne mogą wprowadzać błędy, powodując dekoherencję i utratę informacji. Dodatkowo sam akt pomiaru kubitu może wpłynąć na jego stan, co stanowi kolejne wyzwanie dla inżynierów kwantowych.

Istnieje wiele metod tworzenia i kontrolowania kubitów. Każda z nich ma swoje zalety i wady. Na przykład, kubity nadprzewodnikowe są stosunkowo łatwe do wytworzenia i kontrolowania, ale wymagają skomplikowanych systemów chłodzenia do temperatur bliskich zera absolutnego. Inne podejścia, takie jak kubity oparte na pułapkach jonowych, oferują dłuższe czasy koherencji, ale są trudne do skalowania.

Około 20 lat temu Microsoft podjął decyzję o pójściu inną drogą, skupiając się na kubitach topologicznych. Wierzono, że takie kubity będą bardziej stabilne i będą wymagały mniej korekcji błędów, co przełoży się na szybsze i bardziej efektywne obliczenia. Było to podejście wysokiego ryzyka, ponieważ wymagało odkrycia nowych stanów materii i cząstek, które do tej pory nie zostały zaobserwowane.

Kluczowym elementem tego podejścia są cząstki Majorany. Są to egzotyczne cząstki kwantowe, które są zarazem swoją własną antycząstką. Nie występują one naturalnie i muszą być sztucznie tworzone w specjalnych warunkach, łącząc nadprzewodnictwo z unikalnymi właściwościami topologicznymi materiałów. Wyzwanie polegało na tym, że cząstki te były do tej pory jedynie teoretyczne. Technologia wymagała stworzenia wspomnianych wyżej topokonduktorów, które umożliwiają pojawienie się cząstek Majorany. Oznaczało to konieczność precyzyjnego projektowania i wytwarzania struktur na poziomie atomowym.

Zespołowi Microsoftu udało się nie tylko stworzyć cząstki Majorany, ale także dokładnie je zmierzyć. Jest to istotne, ponieważ cząstki te ukrywają informację kwantową, czyniąc ją bardziej odporną na zakłócenia, ale jednocześnie trudniejszą do odczytu.Nowatorskie podejście do pomiaru pozwala na tak precyzyjne odczyty, że możliwe jest wykrycie różnicy pomiędzy jednym miliardem a jednym miliardem i jednym elektronem w nadprzewodzącym przewodzie. To umożliwia komputerowi określenie stanu kubitu i przeprowadzenie obliczeń kwantowych.

Co więcej, pomiary te można kontrolować za pomocą impulsów napięciowych zamiast skomplikowanego dostrajania analogowego dla każdego kubitu z osobna. Ta cyfrowa kontrola upraszcza proces obliczeniowy i otwiera drogę do łatwiejszego skalowania systemu. Kubity topologiczne są mniejsze niż ich odpowiedniki w innych technologiach, co pozwala na umieszczenie większej liczby kubitów na jednym chipie. Dzięki temu możliwe jest zbudowanie komputera kwantowego zdolnego do obsługi miliona kubitów bez konieczności budowy ogromnych, niepraktycznych infrastruktur.

Układ Majorana 1 integruje zarówno kubity, jak i niezbędną elektronikę sterującą, co pozwala na zmieszczenie go w dłoni. Taki kompaktowy design umożliwia łatwą integrację z centrami danych, takimi jak Azure Microsoftu, co przyspieszy wdrażanie tej technologii w środowiskach komercyjnych.

Kluczowym elementem są tu nanodruty z aluminium, połączone w kształt litery H. Każda taka struktura H zawiera cztery kontrolowalne cząstki Majorany, tworząc jeden kubit. Te H mogą być łączone między sobą i układane na chipie niczym kafelki, co umożliwia modułowe skalowanie systemu.

Jednak sam chip kwantowy nie działa w izolacji. Stanowi on część ekosystemu, w skład którego wchodzą: logika sterująca, specjalna lodówka rozcieńczalnikowa utrzymująca kubity w temperaturach znacznie niższych niż przestrzeń kosmiczna, oraz zaawansowany stos oprogramowania zdolny do integracji ze sztuczną inteligencją i komputerami klasycznymi. Wszystkie te elementy zostały zbudowane lub zmodyfikowane w całości przez Microsoft, co świadczy o pełnej kontroli nad procesem tworzenia technologii.

Oczywiście dalsza optymalizacja tych procesów i integracja wszystkich elementów w skali przemysłowej będą wymagały jeszcze kilku lat intensywnych prac inżynieryjnych. Niemniej jednak, jak podkreśla Microsoft, wiele trudnych wyzwań naukowych i technicznych zostało już pokonanych. Krysta Svore, dyrektorka generalna działu Quantum w Microsoft, zauważa, że jednym z najtrudniejszych aspektów było opracowanie właściwego stosu materiałów niezbędnych do wytworzenia topologicznego stanu materii.

Zamiast tradycyjnie używanego krzemu, topokonduktor Microsoftu jest wykonany z arsenku indu (InAs), materiału wykorzystywanego obecnie m.in. w detektorach podczerwieni. Arsenek indu posiada unikalne właściwości, które czynią go idealnym do zastosowań w technologii kwantowej. W połączeniu z nadprzewodnictwem, osiąganym dzięki ekstremalnie niskim temperaturom, tworzy hybrydowy system o pożądanych cechach.

Lodówka rozcieńczalnikowa, o której mowa, to zaawansowane urządzenie chłodzące, zdolne do osiągnięcia temperatur rzędu 10 milikelwinów - to zaledwie ułamek stopnia powyżej zera absolutnego. Dla porównania temperatura przestrzeni kosmicznej wynosi około 2,7 K. Tak niskie temperatury są niezbędne do zachowania nadprzewodzących właściwości materiałów i zapewnienia stabilności kubitów.

Ważnym elementem całego systemu jest również stos oprogramowania, który umożliwia integrację komputera kwantowego z klasycznymi systemami obliczeniowymi oraz sztuczną inteligencją. Taka współpraca pozwala na wykorzystanie najlepszych cech obu technologii, co otwiera drogę do tworzenia hybrydowych aplikacji o niespotykanej dotąd wydajności.

Microsoft podkreśla, że choć przed nimi wciąż stoją wyzwania związane z dalszym skalowaniem i optymalizacją technologii, to pokonanie kluczowych barier naukowych daje solidne podstawy do dalszego rozwoju. Fakt, że wszystkie elementy - od hardware'u po software - zostały opracowane wewnętrznie, daje firmie unikalną przewagę konkurencyjną. Oby tylko nie strzegła zbyt zazdrośnie swych tajemnic.