Oamenii de știință de la Microsoft au construit un nou cip de calcul cuantic folosind o categorie specială de materiale capabile să intre într -o nouă stare de materie. Această descoperire ar putea permite cercetătorilor să construiască un singur cip cu milioane de qubituri fiabile mult mai devreme decât au prevăzut experții – posibil în doar câțiva ani, mai degrabă decât zeci de ani.
Noul Unitatea de procesare cuantică (QPU), numit „Majorana 1”, este un cip de prototip de opt qubit construit din primul material de acest fel din lume-un conductor topologic sau un topoconductor. Acest lucru poate ajunge la starea de materie „topologică” și poate atinge legile Mecanica cuantică În condițiile potrivite pentru a prelucra datele 1S și 0 ale datelor de calcul într -un computer cuantic.
Noul tip de qubit, numit „qubit topologic”, este stabil, mai mic, mai puțin scurs de putere și mai scalabil decât un qubit realizat dintr-un Metal superconductor – Cel mai frecvent tip de qubit utilizat în Calculatoare cuantice construit de companii precum Google, IBMși Microsoft în sine.
“Am făcut un pas înapoi și am spus„ OK, hai să inventăm tranzistorul pentru vârsta cuantică. Ce proprietăți trebuie să aibă? “, Chetan NayakA declarat într -o declarație colegul tehnic Microsoft și profesorul de fizică la Universitatea din California Santa Barbara. “Și așa am ajuns aici – este combinația particulară, calitatea și detaliile importante din noua noastră stivă de materiale care au permis un nou tip de qubit și, în final, întreaga noastră arhitectură.”
Fabricarea acestui QPU a fost posibilă numai după ce cercetătorii, pentru prima dată, au folosit arhitectura pentru a observa și controla definitiv o particulă subatomică enigmatică cu proprietăți speciale numite „Majorana Fermion” sau „Majorana Zero Mode” (MZM), teoretizat de către matematician Ettore Majorana în 1937.
Oamenii de știință au încercat anterior să creeze Fermions Majorana pentru a le folosi pentru un nou tip de calcul cuantic. Explorări ale majorena fermionului și a acesteia Utilizarea propusă în calculatoarele cuantice se întinde pe mulți ani, inclusiv un a raportat descoperirea particulei în 2012 și în Aprilie 2024. Oamenii de știință în Iunie 2023 a publicat, de asemenea, un studiu care a raportat descoperirea stării topologice a materiei.
Teoria Majoranei a propus ca o particulă să fie propria sa antiparticulă. Asta înseamnă că este teoretic posibil să reunim două dintre aceste particule și se vor anihila reciproc într -o eliberare masivă de energie (așa cum este normal), fie se pot coexista stabil atunci când se împerechează – amorsându -le pentru a stoca informații cuantice.
Aceste particule subatomice nu există în natură, așa că, pentru a le împiedica, oamenii de știință Microsoft au trebuit să facă o serie de descoperiri în știința materialelor, metode de fabricație și tehnici de măsurare. Au prezentat aceste descoperiri-punctul culminant al unui proiect de 17 ani-într-un nou studiu publicat pe 19 februarie în revista Nature.
Acesta este un „tranzistor pentru epoca cuantică”
Printre aceste descoperiri a fost crearea acestui topoconductor specific, care este utilizat ca bază a qubitului. Oamenii de știință și -au construit topoconductorul dintr -o stivă de materiale care a combinat un semiconductor realizat din arsenid de indiu (utilizat de obicei în dispozitive precum ochelarii de viziune de noapte) cu un superconductor de aluminiu.
Cercetătorii au avut nevoie de combinația potrivită a acestor componente pentru a declanșa tranziția dorită în NOU TOPOLOGICĂ DE MATERII. De asemenea, aveau nevoie să creeze condiții foarte specifice pentru a realiza acest lucru – și anume, temperaturile din apropierea Absolut Zero și expunerea la câmpuri magnetice. Abia atunci ar putea să -i aducă pe MZM -uri în existență.
Pentru a construi un qubit, care are o dimensiune mai mică de 10 microni – mult mai mic decât qubiturile superconductoare – oamenii de știință au aranjat un set de nanofire într -o formă H, cu două fire mai lungi de topoconductor unite în centru de un fir superconductor. Urmează să existe patru Mzms să existe pe toate cele patru puncte ale H prin răcirea structurii și reglarea acesteia cu câmpuri magnetice. În cele din urmă, pentru a măsura semnalul atunci când dispozitivul va fi operațional, au conectat H cu un punct cuantic semiconductor – echivalent cu un condensator mic care poartă încărcare.
Topoconductorii diferă de superconductori în modul în care se comportă atunci când sunt împovărați cu un electron nepereche. În superconductori, electronii se împerechează de obicei – cunoscuți sub numele de perechi Cooper – cu un număr impar de electroni (orice electron nepereche) care necesită o cantitate masivă de energie pentru a se acomoda sau a intra într -o stare excitată. Diferența de energie între starea de la sol și starea excitată este baza pentru datele 1s și 0s de date în qubit -urile superconductoare.
La fel ca superconductorii, topoconductorii folosesc prezența sau absența unui electron nepereche ca 1s și 0s de date de calcul, dar materialul poate „ascunde” electronii neperecheți prin împărtășirea prezenței lor între electronii împerecheți. Aceasta înseamnă că nu există nicio diferență de energie măsurabilă atunci când se adaugă electroni neperecheți în sistem, ceea ce face ca qubitul să fie mai stabil la nivelul hardware și protejarea informațiilor cuantice. Cu toate acestea, înseamnă, de asemenea, că este mai greu să măsurați starea cuantică a qubitului.
Acesta este locul în care intră punctul cuantic. Oamenii de știință gâdilă un singur electron din punctul cuantic într -un capăt al firului, prin MZM, și iese din celălalt capăt, printr -un alt MZM. Prin explozia punctului cuantic cu microunde, așa cum se întâmplă acest lucru, reflecția de întoarcere poartă o amprentă a stării cuantice a nanofirelor.
Precizia acestei măsurători este de aproximativ 99%, au spus oamenii de știință în studiu, menționând că radiația electromagnetică este un exemplu de factor extern care declanșează o eroare o dată pe milisecundă, în medie. Oamenii de știință au spus că acest lucru este rar și indică faptul că protejarea inerentă a noului tip de procesor este eficientă pentru a menține radiațiile.
Calea către un milion de qubits
“Este complex prin faptul că a trebuit să arătăm o nouă stare de materie pentru a ajunge acolo, dar după aceea, este destul de simplu. Se face plăci. Aveți această arhitectură mult mai simplă, care promite o cale mult mai rapidă spre scară”, Krysta SvoreA declarat în declarație principalul manager de cercetare al Microsoft.
Svore a adăugat această nouă arhitectură qubit, numită „nucleul topologic”, reprezintă primul pas pe calea către crearea de computere cuantice de 1 milion de ani-asemănându-și crearea la trecerea de la construirea computerelor folosind tuburi de vid la tranzistoare din secolul XX.
Acest lucru se datorează dimensiunilor mai mici și calității mai mari a qubit -urilor, alături de ușurința cu care se pot extinde din cauza modului în care qubit -urile se potrivesc ca plăcile, au spus oamenii de știință în studiu.
În următorii câțiva ani, oamenii de știință intenționează să construiască un singur cip cu un milion de qubituri fizice, care, la rândul lor, vor duce la descoperiri științifice utile în domenii precum medicina, știința materialelor și înțelegerea naturii noastre, care ar fi imposibil de realizat Cele mai rapide supercomputere.
Cu toate acestea, cipul cuantic nu funcționează izolat. Mai degrabă, există într -un ecosistem alături de un frigider de diluare pentru a obține temperaturi extrem de reci, un sistem care gestionează logica de control și un software care se poate integra cu computere clasice și inteligență artificială (AI). Oamenii de știință au spus că optimizarea acestor sisteme, astfel încât să poată lucra la o scară mult mai mare va dura ani de cercetări suplimentare. Dar această cronologie poate fi accelerată cu alte descoperiri.
“Aceste materiale trebuie să se alinieze perfect. Dacă există prea multe defecte în stiva de materiale, doar îți omoară qubit -ul”, a spus Svore în declarație. “În mod ironic, este și motivul pentru care avem nevoie de un computer cuantic – deoarece înțelegerea acestor materiale este incredibil de grea. Cu un computer cuantic scalat, vom putea prezice materiale cu proprietăți și mai bune pentru construirea următoarei generații de calculatoare cuantice dincolo de scară.”