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.
Kvantum-kis egyszeregy
Mi az a qubit?
Ahogyan a klasszikus számítástechnikában a bitek az információ alapvető objektumai, a qubitek (kvantumbitek) a kvantum-számítástechnika alapvető információobjektumai.
A klasszikus bitek binárisak, és csak 0 vagy1 pozíciót tartalmazhatnak, de a qubitek az összes lehetséges állapot szuperpozícióját képesek tárolni. Ez azt jelenti, hogy a qubitek 0, 1 vagy a kettő bármely kvantum szuperpozíciójának állapotában lehetnek: mint egy feldobott érme, amelyről – amíg a levegőben pörög – nem lehet tudni, hogy a fej vagy az írás lesz-e felül.
A szuperpozíció a kvantummechanika egyik alapvető elve, amely kimondja, hogy egy kvantumrendszer több állapot egyidejű kombinációjában is létezhet, amíg meg nem mérjük azt. Ez radikálisan különbözik a klasszikus fizikától, ahol egy rendszer mindig egy jól meghatározott állapotban van.
A Rosencrantz és Guildenstern halott (Rosencrantz & Guildenstern Are Dead) című ikonikus filmben Guildenstern egy érmét dobál a folyamatosan, amely mindig fejre esik. Ez a jelenet szimbolikusan utal a valószínűség és a sors kérdésére, valamint a kvantummechanika elveihez is hasonló véletlenszerűség és determinizmus problémájára. Egy klasszikus érme vagy fej, vagy írás. Egy kvantumérme (qubit) olyan, mintha egyszerre mindkét állapotban létezne valamilyen valószínűséggel, amíg meg nem nézzük.
Hogy ez mennyire nem csupán elmélet, arra a híres kétrés-kísérlet az egyik legjobb bizonyíték. Ennek során a fényt előbb egyetlen résen engedik át, és lám a fény egyetlen sávot húz az ernyőre, ami a foton részecske természetére enged következtetni. Két rést megnyitva, interferencia mintázat alakul ki az ernyőn – ezek szerint hullámmal van dolgunk. Ennél is érdekesebb, hogy amennyiben egyesével küldjük át a réseken a fotonokat, az interferencia továbbra is fennáll – vagyis egyetlen foton önmagával interferál, mintha egyszerre két úton haladna.
Amikor egy kvantumállapotot megfigyelünk vagy megmérünk, a szuperpozíció összeomlik egy meghatározott klasszikus értékre (0 vagy 1). Ez azt jelenti, hogy mérés előtt egy qubit „minden lehetőségben” létezhet, de a mérés hatására egy konkrét értéket vesz fel. Vagyis a mérés után a rendszer egy adott állapotban marad, elveszítve a szuperpozíciót. A kvantumszámítógépek azért gyorsabbak bizonyos feladatok megoldásában, mert a szuperpozíció lehetővé teszi, hogy párhuzamos számításokat végezzenek egyetlen lépésben.
Miért tekintik a topológiai szupravezetést az anyag új állapotának?
A fizikai állapotot az elektromos vezetőképesség, a mágnesesség vagy a rendezettség alapján is leírhatjuk. A jól ismert klasszikus fázisállapotok a szilárd (az atomok rögzített, ismétlődő szerkezetben helyezkednek el), folyadék (az atomok szabadon mozognak, de szoros kapcsolatban maradnak egymással), gáz (az atomok egymástól függetlenül mozognak nagy távolságok között), és a plazma (az ionizált részecskék szabadon mozognak). A kvantumfázisok azonban különböznek ezektől, mivel nem klasszikus kölcsönhatások, hanem kvantummechanikai tulajdonságok határozzák meg őket. Ezek pedig
- a normál fémfázis, amelyben az elektronok szabad részecskékként viselkednek és normálisan vezetik az elektromosságot;
- a szigetelő fázis, amelyben az elektronok lokalizáltak, vagyis nincs elektromos vezetőképesség. Az energiasávszerkezet megakadályozza az elektronok áramlását.
- a szupravezető fázis, amelyben az elektronok Cooper párokat alkotnak, amelyek ellenállás nélkül áramlanak.
A most megalkotott új fázis a topológiai szupravezető fázis. Ebben az elektronok olyan nem triviális topológiai Cooper-párokat alkotnak, amelyek Majorana-null-módoknak adnak otthont. Ez a fázis különbözik a hagyományos szupravezetéstől, mivel topológiai invariánsok és védett kvantumállapotok írják le. Ez az állapot a szupravezetés és a topológiai rend közötti kölcsönhatás következtében jön létre, ami kvázirészecskékhez, Majorana null-módok létrejöttéhez vezet.
De mi az a topológia?
A topológia a matematika egyik ága, amely az alakzatok és térbeli struktúrák globális, deformációval szemben invariáns tulajdonságait vizsgálja – magyarán olyan folytonos alakzatok és terek tulajdonságaival foglalkozik, amelyek nem változnak meg folyamatos deformációk (például hajlítás vagy nyújtás) során, amíg nem történik szakadási vagy ragasztási művelet. Például egy kávéscsésze és egy fánk (tórusz) topológiailag ekvivalensek, mert folyamatos deformációval egymásba alakíthatók anélkül, hogy szakadás történne.
A kvantumfizikában és a kvantumszámítástechnikában a topológiai tulajdonságokat használják ki a stabil és hibatűrő rendszerek létrehozására. A topológiai kvantumszámítás azt az elvet használja ki, hogy az információt nem egyetlen pontban, hanem egy egész topológiai struktúrában tárolja. Ez természetes hibatűrést biztosít, mivel a rendszer nem érzékeny a lokális hibákra vagy zajra.