Dovezi mai puternice pentru o cvasiparticulă ipotetică, plus hardware -ul de procesare efectiv.
Procesorul Majorana 1 Microsoft, primul care a folosit qubituri topologice Credit: John Brecher pentru Microsoft
Miercuri, Microsoft a lansat o actualizare a eforturilor sale de a construi hardware de calcul cuantic pe baza fizicii cvasiparticulelor care au fost în mare parte domeniul teoreticienilor. Informațiile coincide cu eliberarea unei lucrări în natură care oferă dovezi că hardware -ul Microsoft poate măsura de fapt comportamentul unei cvasiparticule ipotezate specifice.
În mod separat de aceasta, compania a anunțat că a construit hardware care folosește aceste cvasiparticule ca bază pentru un nou tip de qubit, unul pe care Microsoft îl pariază îi va permite să depășească avantajele companiilor care produc qubits de ani buni.
Modul zero
Quasiparticulele sunt colecții de particule (și, în unele cazuri, linii de câmp) care pot fi descrise matematic ca și cum ar fi o singură particulă cu proprietăți distincte de constituenții lor. Cele mai cunoscute dintre acestea sunt probabil perechile Cooper pe care electronii le formează în materiale superconductoare.
Microsoft se concentrează pe un fenomen topologic, comportament care apare atunci când particulele sunt limitate într -un fel. În acest caz, este o cvasiparticulă care se formează la interfața dintre aluminiu care se face superconduct de temperatura de funcționare extrem de scăzută a hardware-ului și un fir minuscul de semiconductor de indicină. Comportamentul particulelor de acest fel a fost descris pentru prima dată de fizicianul Ettore Majorana și poartă numele unui mod Majorana Zero.
În teorie, electronii de la interfață se leagă ca perechi Cooper. Dacă există un număr ciudat de electroni, unul nepereche ajunge să fie delocalizat în cadrul firului și detectați modurile majorena zero la fiecare capăt al firului (acest lucru necesită, de asemenea, prezența unui câmp magnetic puternic). Comportamentul său este descris de mecanica cuantică, permițându -i să fie utilizat ca qubit. Dar când Microsoft și -a propus să -l folosească, nimeni nu a demonstrat că există moduri majorena zero.
De fapt, a existat o anumită controversă cu privire la primele încercări de a face acest lucru, cu o hârtie timpurie fiind retras După o reanalizare a datelor sale a arătat că dovezile au fost mai slabe decât au fost prezentate inițial. Un obiectiv esențial al noii lucrări de natură este să ofere mai multe dovezi că modurile Zero Majorana există cu adevărat în acest sistem.
Pentru a face acest lucru, echipa a fabricat un dispozitiv care a așezat firul de arsenidă de indiu în apropiere de un punct cuantic – a scăpat suficient încât electronii să poată tuneca între ei. Drept urmare, starea electronilor din sârmă a influențat capacitatea punctului cuantic. Această capacitate este relativ ușor de măsurat, permițând echipei să urmărească comportamentul firului din apropiere.
Ei au descoperit că capacitatea a oscilat între două state, rămânând într -una pentru o perioadă tipică de două milisecunde înainte de a trece la celălalt. Acest comportament a apărut în două măsurători extinse ale unui dispozitiv, precum și când a fost testat un al doilea dispozitiv, ceea ce sugerează că acesta reflectă comportamentul fundamental al sistemului. Echipa a fost capabilă să producă un comportament similar folosind modele ale unui mod Majorana Zero.
Cercetătorii recunosc că aceasta nu este o demonstrație concludentă că se uită la moduri majorena zero. Dar a avea o altă fizică care să arate, atât de similară ar necesita un set de circumstanțe foarte specifice și improbabile. „Puteți explica datele cu o explicație non-topologică”, a spus Microsoft’s Chetan Nayak. „Dar pentru a face acest lucru, trebuie să reglați cu adevărat unii dintre acești parametri.”
Quasiparticule până la Qubits
Pentru a transforma acest comportament într -un qubit, Microsoft a legat două dintre firele mici de arsenidă de indiu cu o bandă de superconductor. Un punct cuantic din apropiere poate măsura starea generală a sistemului – indiferent dacă cele două fire sunt în aceeași stare sau în stări opuse. Acest sistem acționează ca un qubit, deoarece este posibil să -l punem într -o superpoziție, unde este un amestec al aceleași și opuse. Nayak a spus că această configurație face posibilă efectuarea aproape toate operațiunile de poartă necesare pentru a efectua calcule pur și simplu prin efectuarea măsurătorilor pe ea.
Prima intrare a Microsoft în hardware -ul cuantic vine sub forma Majorana 1, un procesor cu opt dintre aceste qubits.
Având în vedere că unii dintre concurenții săi au hardware care acceptă peste 1.000 de qubits, de ce compania consideră că poate fi încă competitivă? Nayak a descris trei caracteristici cheie ale hardware -ului pe care îl simte că va oferi în cele din urmă Microsoft un avantaj.
Primul are legătură cu fizica fundamentală care guvernează energia necesară pentru a despărți una dintre perechile Cooper din superconductorul topologic, care ar putea distruge informațiile deținute în qubit. Există o serie de moduri de a crește această energie, de la scăderea temperaturii până la a face mai mult timp sârmă de arsenidă de indiu. Pe măsură ce lucrurile stau în prezent, Nayak a spus că mici schimbări în oricare dintre acestea pot duce la un impuls mare al decalajului energetic, ceea ce face relativ ușor să stimuleze stabilitatea sistemului.
O altă caracteristică cheie, a susținut el, este că hardware -ul este relativ mic. El a estimat că ar trebui să fie posibil să plaseze un milion de qubit -uri pe un singur cip. „Chiar dacă puneți marjă pentru structuri de control și cablare și ventilatoare, este încă câțiva centimetri cu câțiva centimetri”, a spus Nayak. „Acesta a fost unul dintre principiile călăuzitoare ale Qubits -ului nostru”. Deci, spre deosebire de alte tehnologii, qubiturile topologice nu vor solicita nimănui să -și dea seama cum să conecteze procesoarele separate într -un singur sistem cuantic.
În cele din urmă, toate măsurătorile care controlează sistemul rulează prin punctul cuantic și controlează relativ simplu. „Qubiturile noastre sunt controlate de tensiune”, a spus Nayak pentru ARS. „Ceea ce facem este doar să pornim și să se oprească cuplarea punctelor cuantice către Qubits către fire topologice Nano. Acesta este un semnal digital pe care îl trimitem și putem genera aceste semnale digitale cu un controler criogenic. Deci, de fapt, punem clasic Controlează în frig „.
Din nou, acesta este un avantaj potențial în comparație cu tehnologiile în care semnalele de control trebuie să fie generate în afara sistemului de refrigerare și apoi conducte în qubits care funcționează aproape de zero absolut.
Toate acestea au potențialul de a lăsa această scară hardware relativ rapidă și de a evita unele dintre obstacolele potențiale cu care încă se confruntă alte tehnologii. Desigur, nu există nicio garanție că nu vor exista și unele lovituri tehnice neașteptate la această scalare. Cu toate acestea, Microsoft prezintă o foaie de parcurs pe care speră să o reprezinte calea de la Majorana 1 la un computer cuantic mare, corectat de erori, alături de o serie de alte companii cu planuri similare.
De asemenea, compania s -a asociat cu alți furnizori de hardware cuantic prin intermediul serviciului său cuantic Azure și a fost Făcând unele lucrări notabile cu corectarea erorilor cuantice. Majorana 1 are prea puține qubits pentru felul de experimente pe care echipa Azure le-a făcut, așa că este posibil să fie nevoit să așteptăm hardware-ul său de generație următoare pentru a vedea cum performanța acestor qubituri topologice se compară cu unele dintre alternative deja disponibil.
Natură2025. Doi: 10.1038/s41586-024-08445-2 (Despre Dois)
John este editorul științific al ARS Technica. Are un licențiat în arte în biochimie de la Universitatea Columbia și un doctorat. în biologie moleculară și celulară de la Universitatea din California, Berkeley. Când se desparte fizic de tastatura sa, el tinde să caute o bicicletă sau o locație pitorească pentru comunicarea cu cizmele sale de drumeție.
Comentarii recente