Мајкрософт денеска го претстави Majorana 1 , првиот квантен чип во светот кој се напојува со нова архитектура на тополошки јадро за која очекува дека ќе реализира квантни компјутери способни да решаваат значајни проблеми од индустриски размери во години, а не со децении.

Го користи првиот топпроводник во светот, тип на материјал кој може да ги набљудува и контролира честичките на Мајорана за да произведе посигурни и скалабилни кјубити, кои се градежни блокови за квантните компјутери.

На ист начин како што пронајдокот на полупроводници ги овозможи денешните паметни телефони, компјутери и електроника, топпропроводниците и новиот тип на чип што тие го овозможуваат нудат пат кон развој на квантни системи кои можат да достигнат до милион кубити и се способни да се справат со најсложените индустриски и општествени проблеми, рече Мајкрософт.

„Направивме чекор назад и рековме „Во ред, ајде да го измислиме транзисторот за квантната ера. Какви својства треба да има?“, рече Четан Најак, технички соработник на Мајкрософт. „И навистина така стигнавме до тука – конкретната комбинација, квалитетот и важните детали во нашиот нов куп материјали овозможија нов вид на кјубити и на крајот целата наша архитектура“.

Оваа нова архитектура што се користи за развој на процесорот Majorana 1 нуди јасен пат за сместување на милион кубити на еден чип што може да се смести на дланка, рече Microsoft. Ова е неопходен праг за квантните компјутери да испорачаат трансформативни решенија од реалниот свет - како што е разградување на микропластиката во безопасни нуспроизводи или измислување материјали за самолекување за градежништво, производство или здравствена заштита. Сите актуелни светски компјутери кои работат заедно не можат да го направат тоа што ќе може да го направи квантен компјутер од еден милион кјубити. 

„Што и да правите во квантниот простор треба да има пат до милион кјубити. Ако не е така, ќе удрите во ѕид пред да дојдете до скалата на која можете да ги решите навистина важните проблеми што не мотивираат“, рече Најак. „Всушност разработивме пат до милион“.

Топопроводникот, или тополошкиот суперпроводник, е посебна категорија на материјал кој може да создаде сосема нова состојба на материјата - не цврста, течна или гасна, туку тополошка состојба. Ова е искористено за да се произведе постабилен кјубит кој е брз, мал и може дигитално да се контролира, без компромиси што ги бараат сегашните алтернативи. Нов труд објавен во средата во Nature опишува како истражувачите на Мајкрософт успеале да ги создадат егзотичните квантни својства на тополошкиот кубит и исто така прецизно да ги измерат, суштински чекор за практично пресметување.

Овој пробив бараше развој на целосно нов куп материјали од индиум арсенид и алуминиум, од кои голем дел Мајкрософт го дизајнираше и фабрикуваше атом по атом. Целта беше да се поттикнат да постојат нови квантни честички наречени Мајорана и да се искористат нивните уникатни својства за да стигнат до следниот хоризонт на квантното пресметување, рече Мајкрософт.  

Првото тополошко јадро во светот што ја напојува Majorana 1 е доверливо по дизајн, инкорпорирајќи отпорност на грешки на хардверско ниво што го прави постабилен.

Комерцијално важните апликации, исто така, ќе бараат трилиони операции на милион кјубити, што би било забранувачко со сегашните пристапи кои се потпираат на фино подесена аналогна контрола на секој кјубит. Новиот пристап за мерење на тимот на Мајкрософт овозможува дигитално контролирање на кјубитите, редефинирање и значително поедноставување како функционира квантното пресметување.

Овој напредок го потврдува изборот на Мајкрософт од пред неколку години да продолжи со тополошки дизајн на кјубити - научен и инженерски предизвик со висок ризик и висока награда, кој сега се исплати. Денес, компанијата постави осум тополошки кубити на чип дизајниран да достигне до еден милион.

„Од самиот почеток сакавме да направиме квантен компјутер за комерцијално влијание, а не само за мисловно лидерство“, рече Матијас Тројер, технички соработник на Microsoft. „Знаевме дека ни треба нов кјубит. Знаевме дека мораме да скалираме“.

Тој пристап ја наведе Агенцијата за напредни истражувачки проекти за одбрана (DARPA), федерална агенција која инвестира во пробивни технологии кои се важни за националната безбедност, да го вклучи Мајкрософт во ригорозна програма за проценка дали иновативните технологии за квантно пресметување би можеле да изградат комерцијално релевантни квантни системи побрзо отколку што конвенционално се верува дека е можно.  

Мајкрософт сега е една од двете компании што ќе бидат поканети да се префрли во последната фаза на програмата DARPA за недоволно истражени системи за квантно пресметување со корисна скала (US2QC) - една од програмите што ја сочинуваат поголемата иницијатива за квантно одредување на DARPA - која има за цел да ги испорача првите во индустријата чиишто корисни трошоци во индустријата ги надминуваат квантните трошоци на компјутерот. 

„Тоа само ти го дава одговорот“

Покрај создавањето на сопствен квантен хардвер, Мајкрософт соработуваше со Quantinuum и Atom Computing за да достигне научни и инженерски откритија со денешните кјубити, вклучувајќи го и објавувањето минатата година за првиот доверлив квантен компјутер во индустријата .

Овие типови машини нудат важни можности за развој на квантни вештини , градење хибридни апликации и поттикнување на нови откритија, особено затоа што вештачката интелигенција е комбинирана со нови квантни системи кои ќе се напојуваат со поголем број доверливи кјубити. Денес, Azure Quantum нуди пакет на интегрирани решенија што им овозможуваат на клиентите да ги користат овие водечки AI, пресметување со високи перформанси и квантни платформи во Azure за да ги унапредат научните откритија.

Но, за да се достигне следниот хоризонт на квантното пресметување ќе биде потребна квантна архитектура која може да обезбеди милион кубити или повеќе и да достигне трилиони брзи и сигурни операции. Денешното соопштение го става тој хоризонт во години, а не со децении, рече Мајкрософт.

Бидејќи тие можат да користат квантна механика за математички да мапираат како природата се однесува со неверојатна прецизност - од хемиски реакции до молекуларни интеракции и ензимски енергии - машините од милион кјубити треба да бидат способни да решат одредени видови проблеми во хемијата, науката за материјали и други индустрии кои денешните класични компјутери не можат прецизно да ги пресметаат.

• На пример, тие би можеле да помогнат во решавањето на тешкото хемиско прашање зошто материјалите трпат корозија или пукнатини. Ова може да доведе до само-заздравувачки материјали кои поправаат пукнатини на мостови или делови од авион, скршени екрани на телефонот или изгребани врати од автомобилот.

• Бидејќи има толку многу видови на пластика, во моментов не е можно да се најде катализатор кој одговара на сите што може да ги разложи - особено важен за чистење на микропластиката или справување со загадувањето со јаглерод. Квантното пресметување може да ги пресмета својствата на таквите катализатори за да ги разградат загадувачите во вредни нуспроизводи или да развијат нетоксични алтернативи на прво место.

• Ензимите, еден вид биолошки катализатор, би можеле поефикасно да се искористат во здравството и земјоделството, благодарение на точните пресметки за нивното однесување што може да ги обезбеди само квантното пресметување. Ова може да доведе до откритија кои помагаат да се искорени глобалниот глад: зајакнување на плодноста на почвата за да се зголеми приносот или промовирање на одржлив раст на храната во суровата клима.

Најмногу од сè, квантното пресметување може да им овозможи на инженерите, научниците, компаниите и другите едноставно да ги дизајнираат работите од прв пат - што би било трансформативно за сè, од здравствена заштита до развој на производи. Моќта на квантното пресметување, во комбинација со алатките за вештачка интелигенција, ќе му овозможи на некого да опише каков вид на нов материјал или молекула сака да создаде на едноставен јазик и да добие одговор што функционира веднаш - без нагаѓања или години на обиди и грешки.  

„Секоја компанија што прави било што може да го дизајнира совршено уште првиот пат. Тоа само ќе ви го даде одговорот“, рече Тројер. „Квантниот компјутер ја учи вештачката интелигенција на јазикот на природата, така што вештачката интелигенција може само да ви го каже рецептот за тоа што сакате да го направите“.

Преиспитување на квантното пресметување на скала

Квантниот свет функционира според законите на квантната механика, кои не се истите закони на физиката што управуваат со светот што го гледаме. Честичките се нарекуваат кјубити, или квантни битови, аналогни на битовите, или единиците и нулите, кои сега ги користат компјутерите.

Кубитите се префинети и многу подложни на пертурбации и грешки кои доаѓаат од нивната околина, што предизвикува нивно распаѓање и губење на информации. На нивната состојба може да влијае и мерењето - проблем бидејќи мерењето е од суштинско значење за пресметувањето. Инхерентен предизвик е да се развие кјубит што може да се мери и контролира, притоа нудејќи заштита од бучавата од околината што ги корумпира.

Qubits може да се креираат на различни начини, секој со предности и недостатоци. Пред речиси 20 години, Мајкрософт одлучи да продолжи со уникатен пристап: развивање тополошки кубити, за кои веруваше дека ќе понудат постабилни кубити кои бараат помала корекција на грешки, а со тоа ќе ги отклучат предностите за брзина, големина и контрола. Пристапот постави стрмна крива на учење, барајќи непознати научни и инженерски откритија, но исто така и најветувачкиот пат за создавање скалабилни и контролирани кјубити способни да вршат комерцијално вредна работа.

Недостатокот е - или беше - што до неодамна егзотичните честички што Мајкрософт сакаше да ги искористи, наречени Мајорана, никогаш не беа видени или направени. Тие не постојат во природата и можат да се наведат во постоење само со магнетни полиња и суперпроводници. Тешкотијата за развивање на вистинските материјали за создавање на егзотични честички и нивната поврзана тополошка состојба на материјата е причината зошто повеќето квантни напори се фокусирани на други видови кјубити.

Документот Nature означува рецензирана потврда дека Мајкрософт не само што успеал да создаде честички Majorana, кои помагаат да се заштитат квантните информации од случајни нарушувања, туку може и со сигурност да ги измери тие информации од нив користејќи микробранови.

Мајораните кријат квантни информации, што ги прави поробусни, но и потешки за мерење. Новиот мерен пристап на тимот на Мајкрософт е толку прецизен што може да ја открие разликата помеѓу една милијарда и една милијарда и еден електрон во суперспроводлива жица - што му кажува на компјутерот во каква состојба е кјубитот и ја формира основата за квантно пресметување.

Мерењата може да се вклучуваат и исклучуваат со пулсирања на напон, како што е трепкање на прекинувачот за светло, наместо фино прилагодување на бирачите за секој поединечен кјубит. Овој поедноставен пристап за мерење кој овозможува дигитална контрола го поедноставува процесот на квантно пресметување и физичките барања за изградба на скалабилна машина.

Тополошкиот кјубит на Мајкрософт исто така има предност во однос на другите кубити поради неговата големина. Дури и за нешто толку мало, постои зона „Goldilocks“, каде што е тешко да се водат контролни линии до премал кјубит, но за преголем кјубит е потребна огромна машина, рече Троер. Додавањето на индивидуализирана технологија за контрола за тие типови на кјубити ќе бара изградба на непрактичен компјутер со големина на авионски хангар или фудбалско игралиште.

Majorana 1, квантниот чип на Мајкрософт кој ги содржи и кубитите, како и околната контролна електроника, може да се држи на дланка и уредно се вклопува во квантен компјутер што може лесно да се распореди во центрите за податоци на Azure.

„Едно е да се открие нова состојба на материјата“, рече Најак. „Друго е да се искористи предноста за да се преиспита квантното пресметување во обем“.

Дизајнирање на квантни материјали атом по атом

Тополошката кубитна архитектура на Мајкрософт има алуминиумски наножици споени заедно за да формираат H. Секој H има четири контролирани Мајорани и прави еден кјубит. Овие H може да се поврзат, исто така, и да се постават низ чипот како многу плочки.

„Сложено е по тоа што моравме да покажеме нова состојба на материјата за да стигнеме таму, но после тоа, тоа е прилично едноставно. Се поплочува. Имате многу поедноставна архитектура која ветува многу побрз пат до размер“, рече Криста Своре, технички соработник на Мајкрософт.

Квантниот чип не работи сам. Постои во екосистем со контролна логика, фрижидер за разредување кој ги одржува кубитите на температури многу поладни од вселената и софтверски куп што може да се интегрира со вештачка интелигенција и класичните компјутери. Сите тие парчиња постојат, изградени или модифицирани целосно во куќата, рече таа.

За да биде јасно, продолжувањето да се усовршуваат тие процеси и да се натераат сите елементи да работат заедно во забрзана скала ќе бара повеќе години инженерска работа. Но, многу тешки научни и инженерски предизвици сега се исполнети, рече Мајкрософт.

Правилно натрупување на материјалите за да се добие тополошка состојба на материјата беше еден од најтешките делови, додаде Своре. Наместо силициум, топпроводникот на Мајкрософт е направен од индиум арсенид, материјал кој моментално се користи во апликации како инфрацрвени детектори и кој има посебни својства. Полупроводникот е поврзан со суперспроводливост, благодарение на екстремниот студ, за да се направи хибрид.

„Ние буквално прскаме атом по атом. Тие материјали мора да се наредени совршено. Ако има премногу дефекти во магацинот на материјали, тоа само го убива вашиот кјубит“, рече Своре.

„Иронично, тоа е исто така зошто ни треба квантен компјутер - затоа што разбирањето на овие материјали е неверојатно тешко. Со размерен квантен компјутер, ќе можеме да предвидиме материјали со уште подобри својства за изградба на следната генерација на квантни компјутери надвор од размер“, рече таа.