Microsoft, dezvăluind noul său Majorana 1 procesor cuantic, a conturat o cale viabilă către un cip cuantic de milioane de qubit. Dar această nouă stare a materiei marchează cu adevărat o descoperire pentru calculul cuantic sau este doar un alt pas în evoluția sa?

Calculul cuantic a fost mult timp considerat următoarea frontieră în tehnologie, promițând soluții la probleme dincolo de atingerea chiar și a celor mai puternice supercalculatoare moderne. Cu toate acestea, cercetătorii s-au luptat de ani de zile cu o provocare fundamentală - cum să construiască un sistem care poate gestiona fizica complexă a qubiților, unitățile de bază ale informațiilor cuantice, fără a ceda problemelor de zgomot, instabilitate și scalabilitate.

Microsoft acum pretinde că a stabilit un nou curs cu ea Majorana 1 chip, o inovație la care se referă ca arhitectură Topological Core. Spre deosebire de qubiții convenționali fabricați din semiconductori standard sau materiale supraconductoare, Majorana 1 se bazează pe ceva cu totul diferit – conductorii topologici. Aceste materiale pot da naștere la o nouă stare a materiei, o fază topologică, distinctă de stările tradiționale solide, lichide sau gazoase.

Dar de ce contează asta? Mai important, de ce ar trebui să-i pese cineva din afara domeniului fizicii cuantice? Potențialul calculului cuantic se extinde cu mult dincolo de laboratoarele de cercetare, influențând totul, de la dezvoltarea materialelor de construcție cu autovindecare până la optimizarea catalizatorilor care descompun plasticul în produse secundare inofensive. Microsoft crede că cu Majorana 1, aceste descoperiri ar putea deveni o realitate în decurs de ani și nu de decenii.

Citiți și: Folosește-l sau pierde-l: cum AI schimbă gândirea umană

O altă privire la cuburi

În centrul Microsoftprogresul lui este un nou material conductor topologic. Fabricat din arseniura de indiu (un semiconductor) și aluminiu (un supraconductor), este, așa cum a descris un cercetător, „asamblat literal atom cu atom”. Rezultatul este un mediu ultra-pur capabil să susțină particule cuantice evazive cunoscute sub numele de fermioni Majorana.

Fermionii Majorana sunt teoretic una dintre cele mai fiabile metode de stocare a informațiilor cuantice. Proprietățile lor unice ajută la protejarea datelor de zgomotul ambiental, păstrând stările cuantice fragile. Qubiții tradiționali sunt foarte sensibili și predispuși la decoerență - un proces în care stările cuantice se descompun din cauza interferențelor externe. Chiar și tulburările minore, cum ar fi semnalele electromagnetice parazite, fluctuațiile de temperatură sau micile întreruperi fizice, pot cauza erori. Această fragilitate inerentă a fost mult timp un obstacol major în construirea de calculatoare cuantice stabile și scalabile.

Microsoft acum susține că Majorana 1Qubiții topologici bazați pe bază oferă rezistență la erori la nivel de hardware, integrând eficient stabilitatea în designul qubitului. În termeni simpli, acest lucru ar putea face computerele cuantice mult mai practice și mai ușor de scalat.

„Am făcut un pas înapoi și am întrebat: „Cum ar arăta un tranzistor pentru era cuantică? Ce proprietăți ar trebui să aibă?”” a spus Chetan Nayak, membru tehnic la Microsoft. „Modul în care am ajuns aici este o combinație unică – calitatea materialului specific și detaliile critice în noul nostru set de materiale – care ne-a permis să creăm un nou tip de qubit și, în cele din urmă, întreaga noastră arhitectură.”

Citiți și: Schimbări tectonice în IA: Is Microsoft Pariuri pe DeepSeek?

De ce această descoperire este atât de semnificativă

Calculul cuantic are potențialul de a revoluționa rezolvarea problemelor, în special în domeniile care implică seturi masive de date sau interacțiuni complexe în chimie, fizică și știința materialelor. Cu toate acestea, obținerea chiar și a câtorva sute sau mii de qubiți care pot funcționa în mod fiabil rămâne o provocare.

O problemă inerentă este că qubiții sunt predispuși la erori. Construirea sistemelor cu corectarea erorilor necesită de obicei o suprasarcină semnificativă, folosind qubiți suplimentari pentru a stabiliza doar câțiva „qubiți logici” care efectuează calculele.

Abordarea topologică urmărește să reducă supraîncărcarea pentru corectarea erorilor făcând fiecare qubit în mod inerent mai stabil. Acesta reprezintă un salt semnificativ în încercarea de a construi o mașină capabilă să gestioneze un milion de qubiți. Acest prag este considerat esențial de experți pentru abordarea problemelor din lumea reală, cum ar fi cercetarea de noi produse farmaceutice, optimizarea lanțurilor complexe de aprovizionare sau descoperirea de materiale cu auto-vindecare care ar putea repara fisurile în poduri, componentele avioanelor sau chiar zgârieturile pe ecranele telefonului.

Atingerea a un milion de qubiți într-un cip suficient de mic pentru a încăpea în palma poate suna ca ceva din science fiction. Cu toate acestea, Microsoft consideră că această scară este atinsă prin arhitectura sa de bază topologică.

„Pe măsură ce explorezi spațiul cuantic, trebuie să existe o cale către un milion de qubiți. Fără el, te vei lovi de un zid înainte de a ajunge la scara necesară pentru a rezolva problemele cu adevărat importante care ne conduc”, a spus Chetan Nayak. „De fapt, am trasat calea către un milion.”

Citiți și:

• Sunt căștile cu anulare a zgomotului dăunătoare? Perspective de la audiologi
• Cele mai fascinante inovații în robotică din 2024

Regândirea controlului și măsurării

Qubiții au nevoie de mai mult decât stabilitate – trebuie să fie, de asemenea, măsurabili pentru a produce rezultate utile. Metodele tradiționale se bazează adesea pe reglarea fină a fiecărui qubit în mod analogic, un proces complex și consumator de timp care devine imposibil de gestionat pe măsură ce numărul de qubit crește.

Microsoft ocolește această provocare prin introducerea unui „comutator digital” care conectează capetele nanofirului (unde se află Majoranas) la un punct cuantic. Acest punct cuantic stochează o sarcină electrică care se modifică în funcție de numărul de electroni prezenți, similar cu distincția între „un miliard” și „un miliard și unu”. Această diferență de sarcină indică dacă qubit-ul este într-o stare pară sau impară, o parte cheie de date pentru calculele cuantice.

Ceea ce este semnificativ este că măsurătorile pot fi activate sau dezactivate folosind impulsuri de tensiune, mai asemănător cu acționarea unui comutator digital decât cu reglarea cadranelor sensibile. Această abordare eliberează inginerii de nevoia de a calibra fiecare qubit individual, reducând posibil complexitatea sistemului cu ordine de mărime. În plus, deoarece este stabil la nivel hardware, procesul necesită mai puțini qubiți suplimentari pentru corectarea erorilor.

Citiți și: Biomimetism: cum natura inspiră inginerii să inoveze

Crearea imposibilului: o nouă stare a materiei

Conceptul de stare topologică a materiei - o fază a materiei distinctă de solide, lichide sau gaze - poate suna ca mecanica cuantică abstractă. Cu toate acestea, este fundamentul acestei abordări. Este necesară crearea de conductori topologici Microsoft pentru a dezvolta o clasă complet nouă de materiale.

MicrosoftArhitectura topologică de qubit a lui, în formă de „H” minuscul făcut din nanofire de aluminiu, reunește patru Majoranas controlate pentru a forma un singur qubit. Acești qubiți individuali pot fi apoi aranjați pe un cip, oferind o cale simplă către scalare.

„Este dificil pentru că a trebuit să demonstrăm o nouă stare a materiei pentru a ajunge acolo, dar după aceea, este relativ simplu. Este ca placarea cu gresie. Aveți o arhitectură mult mai simplă, care promite o cale mult mai rapidă către scalare”, a spus Krista Swore, un alt membru al personalului tehnic la Microsoft.

Această nouă stare a materiei este și motivul pentru care fermionii Majorana sunt atât de evazivi: natura nu îi creează spontan. Pentru a le induce existența, sunt necesare temperaturi apropiate de zero absolut, câmpuri magnetice atent aliniate și o interfață perfectă între aluminiul supraconductor și arseniura de indi semiconductoare. O întrerupere în structura atomică și qubit-ul eșuează. Aceasta este o descoperire remarcabilă în știința materialelor, subliniind amploarea provocărilor inginerești care Microsoft trebuia să depășească.

Citiți și: 10 exemple de cele mai ciudate utilizări ale AI

Calea către soluții reale

Ca și în cazul oricărei cercetări ambițioase în calculul cuantic, va dura ani pentru a realiza pe deplin rezultatele. Cu toate acestea, Microsoft poziţii Majorana 1 ca piesa lipsă a puzzle-ului care va accelera capacitatea lui Quantum de a rezolva problemele care modelează industria. Agenția pentru Proiecte de Cercetare Avansată a Apărării (DARPA), responsabilă cu finanțarea tehnologiilor cu risc ridicat și cu costuri ridicate, pare să fie de acord. Microsoft este una dintre cele două companii alese pentru etapa finală a programului DARPA Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC), care își propune să dezvolte primul computer cuantic tolerant la erori cu valoare comercială reală.

Implicațiile sunt enorme. Cu un sistem de un milion de qubiți, oamenii de știință ar putea, teoretic, să dezvăluie cele mai complexe mistere chimice, să explice de ce anumite materiale se corodează sau se fisurează sau să clarifice modul în care anumite enzime acționează ca catalizatori în agricultură și sănătate.

Astfel de descoperiri ar putea duce la crearea unei infrastructuri de auto-vindecare, a unor medicamente mai eficiente sau a unei metode universale de descompunere a plasticului și de combatere a poluării cu microplastice. Combinate cu progresele în inteligența artificială, computerele cuantice ar putea transforma obiectivele noastre în „rețete” pentru noi materiale, eliminând potențial ani de încercări și erori în cercetare și dezvoltare.

„De la început, am vrut să creăm un computer cuantic pentru impact comercial, nu doar pentru leadership intelectual”, a spus Microsoftcolegul tehnic al lui, Matthias Troyer. „Știam că avem nevoie de un nou qubit. Știam că trebuie să creștem.”

Citiți și: Deșeurile nucleare: ce sunt și cum sunt eliminate

Un punct de cotitură pentru Quantum

În multe privințe, bătălia din domeniul calculului cuantic reflectă primele zile ale revoluției semiconductoarelor. Inginerii știau că tranzistoarele practice vor schimba lumea, dar mai întâi trebuiau să rezolve numeroase provocări din știința materialelor și proiectarea circuitelor.

În mod similar, conductorii topologici ar putea face pentru calculul cuantic ceea ce semiconductorii au făcut cândva pentru calculul clasic, oferind fundația stabilă și scalabilă necesară pentru următoarea generație de putere de calcul.

Majorana 1 cip, conceput pentru a găzdui un milion de qubiți și aproximativ de dimensiunea palmei tale, semnalează că era mașinilor cuantice „de milioane de qubiți” ar putea fi mai aproape decât credem. Desigur, mașinile cuantice reale la scară largă necesită încă ani de dezvoltare.

Frigiderele cu diluție, logica de control, stivele de software și întregul ecosistem de calcul trebuie să se integreze perfect. Cu toate acestea, abordarea topologică a eliminat parțial cele mai mari obstacole științifice referitoare la „cum să menținem stabilitatea qubitului și să le măsori în mod fiabil”.

„Un lucru este să descoperi o nouă stare a materiei”, a spus Nayak, „Altul este să o folosești pentru a regândi calculul cuantic la scară”. Se pare că Microsoft a făcut ambele, împingând tehnologia cuantică dincolo de configurațiile de laborator și avansând-o către un impact practic. Căutarea de qubiți stabili poate lăsa în sfârșit loc unei epoci în care hardware-ul cuantic este mai fiabil, calea către un milion de qubiți este trasată și aplicațiile comerciale sunt la orizont.

Dacă această tehnologie își respectă promisiunile, nu va fi doar un punct de cotitură pentru Microsoft. Ar putea semnifica o schimbare de paradigmă în modul în care dezvoltăm totul, de la materiale avansate și produse farmaceutice până la soluții complexe de mediu. Și de aceea Majorana 1 este o afacere atât de mare.

Citiți și: 

• Cum se luptă Taiwan, China și SUA pentru dominația tehnologică: marele război cu cipuri
• Tranzistorii viitorului: ne așteaptă o nouă eră a cipurilor