Miért jelent áttörést a Majorana 1 kvantumfeldolgozó egység?

Kvantumszámítástechnikai áttörést ért el a Microsoft a világ első topológiai Kvantumfeldolgozó Egységének (QPU) kifejlesztésével. A forradalmiam új kvantumchip az ígéret szerint több milliónyi stabil és hibatűrő qubitet lesz képes magába foglalni. A vállalat mindehhez egy új anyagállapotot és innovatív mérési módszereket fejlesztett, amelyek lehetővé teszik a kvantuminformáció pontos és hatékony kiolvasását. A DARPA támogatásával zajló kutatás célja egy skálázható, nagy teljesítményű kvantumszámítógép létrehozása, amely évek, és nem évtizedek alatt válhat valósággá.

A kvantumszámítástechnika forradalmi átalakulást hozhat a tudományban és a technológiában, de csak akkor, ha a kvantumrendszerek teljesítménye mellett a megbízhatóságuk is eléri az elvárt szintet. Az eddigi tudományos konszenzus az volt, hogy az ehhez szükséges áttörés csupán évtizedek múlva következhet be. A kvantumszámítógépek stabil működéséhez ugyanis olyan fejlett kvantumhibajavító mechanizmusokra van szükség, amelyek kifejlesztése csak nagyon hosszú távon tűnt elérhető célnak.

A Microsoft azonban nemrégiben mérföldkő jelentőségű innovációt jelentett be, amely új lendületet adhat a fejlesztéseknek, és lehetővé teheti a kvantumszámítógépek megépítését jóval hamarabb, mint ahogy azt eddig gondolták.

A Majorana 1: Az első topológiai kvantumfeldolgozó egység

Míg egy klasszikus számítógép bitekkel dolgozva minden lehetőséget (0 vagy 1) egymás után vizsgál meg, egy kvantumszámítógép qubiteket alkalmazva egyszerre tud több állapotot vizsgálni a szuperpozíció miatt. Ez exponenciálisan gyorsabb számításokat, sokkal nagyobb számítási teljesítményt tesz lehetővé. Az eddig ismert kvantumszámítógépek legnagyobb gyengesége a hibaérzékenyég volt: külső hatásokra könnyen létrejönnek bennük az eredményt jelentősen torzító kvantumhibák. A topológiai qubitek legfőbb előnye az, hogy megoldhatják a kvantumhibák kiküszöbölésének problémáját.

A Microsoft által bemutatott Majorana 1 a világ első olyan kvantumfeldolgozó egysége (Quantum Processing Unit – QPU), amelyet egy topológiai mag hajt meg. Úgy tervezték, hogy egyetlen chip akár több millió qubitet is befogadhasson. A bejelentés szerint ezek a qubitek hardveresen védettek a környezeti hatásokkal és zajjal szemben, ami kulcsfontosságú lépés a hibatűrő kvantumszámítógépek létrehozása felé.

A kutatás eredményeit a Nature folyóiratban publikálták. A cikk szerint a Microsoft Station Q kutatócsoportja bizonyította egy olyan új anyagállapot felfedezését, amely radikálisan új típusú qubit előállítására ad módot. Ez a qubit rendkívül nagy sebességű, kis méretű és digitálisan vezérelhető, ami fontos szempont a kvantumszámítógépek skálázhatósága tekintetében.

A Microsoft fejlesztési terve világos lépéseket tartalmaz, amelyek az egy qubites rendszerektől a nagy hibatűrésű, tömbösített kvantumarchitektúrákig vezetnek. A cél egy olyan hibatűrő prototípus (Fault-Tolerant Prototype – FTP) megépítése, amely néhány éven belül működőképes kvantumszámítógéppé fejleszthető. Az innováció a DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) US2QC programjának támogatásával zajlik.

Új anyagállapot felfedezése: a topológiai vezetők szerepe

A Microsoft a tudományos áttörést a topológiai vezető kifejlesztésének köszönheti. Ez egy forradalmian új anyagállapot, amely eddigi csak az elméletekben létezett, és amely lehetőséget teremt a topológiai szupravezetés létrehozására.

A fejlesztés során kapuelektródákkal definiált eszközöket alkottak, amelyek indium-arzenid (InAs) félvezetőből és alumínium (Al) szupravezetőből állnak. Ha ezeket az eszközöket közel abszolút nulla fokra hűtik és mágneses térbe helyezik, akkor az ún. Majorana null-módok (MZM-ek) révén topológiai szupravezető nanovezetékként kezdenek viselkedni.

A Majorana részecskék majdnem egy évszázadon át csak elméletben léteztek. A Microsoft azonban képes volt előállítani és kontrollálni ezeket az ún. kvázirészecskéket, és a segítségükkel egy teljesen új típusú qubitet hoztak létre. Ezek a qubitek párokban tárolják a kvantuminformációt, ami növeli a rendszer stabilitását és hibatűrését.

Új kvantuminformáció olvasási módszer

A Microsoft megoldotta a kvantuminformáció kiolvasásának kritikus problémáját is. Ehhez elektromos töltéstárolásra alkalmas digitális kapcsolókat alkalmazott, amelyek egy kvantumponttal kötik össze a nanovezeték mindkét végét. A töltéstárolási képesség növekedése a vezeték paritásával (a Cooper-párokon kívüli egyedi elektronok számának páros vagy páratlan volta) együtt változik. A változást mikrohullámú reflektometriával mérik, amely lehetővé teszi a kvantumállapot pontos meghatározását.

Ez a módszer jelentős előrelépés a kvantumhibajavításban, mivel:

• digitális impulzusokkal aktiválható, ami egyszerűsíti a vezérlést,
• jobban skálázható, mivel nem igényel minden qubithez különálló analóg kontroll jeleket,
• nagyobb hibatűrést biztosít, mivel csökkenti a dekohorencia hatásait.

A DARPA elismerte a Microsoft megközelítését

A DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) a Microsoftot választotta ki egy másik vállalattal együtt, hogy részt vegyen az US2QC program végső fázisában, amely a kvantumszámítógépek skálázhatóságát és hasznosíthatóságát vizsgálja. A program olyan intézmények közreműködésével zajlik, mint a Légierő Kutatási Laboratóriuma, a Johns Hopkins APL, a Los Alamos és Oak Ridge Nemzeti Laboratóriumok, valamint a NASA Ames.

a DARPA értékelése megerősítette: a Microsoft által bemutatott topológiai qubit-alapú hibatűrő kvantumszámítógép ütemterve tudományosan megalapozott és megvalósítható. A cél egy működőképes hibatűrő kvantumszámítógép prototípusának létrehozása évtizedek helyett néhány éven belül.

A kvantumszámítástechnika forradalmának küszöbén

A Microsoft világos fejlesztési ütemtervet vázolt fel a kvantumszuperszámítógépek megvalósítására. A vállalat nyolc topológiai qubitet már sikeresen integrált egy chipre, amely később akár egymillió qubitot is befogadhat.

Ha ezt sikerül elérni, a kvantumszámítógépek olyan problémák megoldására lesznek képesek, amelyek a jelenlegi legfejlettebb szuperszámítógépekkel sem kezelhetők. Ezek közé tartozik az új anyagok (például önmagukat megjavítani képes anyagok) fejlesztése, illetve komplex kémiai folyamatok szimulációja, amely feleslegessé teheti a ma még általános kísérletezést és laboratóriumi munkát.

A DARPA és más intézmények támogatása, valamint a Microsoft által fejlesztett topológiai kvantumszámítógépek azt jelzik, hogy a kvantuminformatika tudományos elméletből valódi, gyakorlati technológiává válhat – méghozzá már a közeljövőben.

 

 

*

Olvasd rendszeresen az Insiderblog.hu szakmai portálunk cikkei mellett az Insidernews.hu innovációs portálunk innovációs híreit is!

https://insidernews.hu/