Microsoft anunţă procesorul cuantic Majorana 1 bazat pe „qubiți topologici”

Cercetătorii de la Microsoft au anunțat crearea primilor „qubiți topologici” într-un dispozitiv care stochează informații într-o stare exotică a materiei, în ceea ce ar putea fi o descoperire semnificativă pentru calculul cuantic.

În același timp, cercetătorii au publicat o lucrare în Nature și un „ghid” pentru lucrări ulterioare.

În procesorul Majorana 1 ar trebui să încapă până la un milion de qubiți, ceea ce poate fi suficient pentru a realiza multe obiective semnificative ale calculului cuantic – cum ar fi descifrarea codurilor criptografice și proiectarea mai rapidă de noi medicamente și materiale.

Dacă afirmațiile Microsoft se confirmă, atunci este posibil ca Microsoft să fi depășit concurenți precum IBM și Google, care în prezent par să conducă cursa pentru construirea unui computer cuantic.

Cu toate acestea, lucrarea din Nature, revizuită de alți specialiști, arată doar o parte din ceea ce au susținut cercetătorii, iar ghidul include încă multe obstacole de depășit.

Chiar dacă comunicatul de presă Microsoft arată ceva ce ar trebui să fie un hardware de calcul cuantic, nu avem nicio confirmare independentă a ceea ce poate face. Cu toate acestea, știrile de la Microsoft sunt foarte promițătoare.

Cele de mai sus ridică câteva întrebări. Ce este un qubit topologic? Ce este un qubit, de fapt? Și de ce vor oamenii computere cuantice?

Biții cuantici sunt greu de realizat

Calculatoarele cuantice au fost concepute, pentru prima dată, în anii 1980. Spre deosebire de un computer obișnuit care stochează informații în biți, un computer cuantic stochează informații în biți cuantici – sau qubiți.

Un bit obișnuit poate avea o valoare de 0 sau 1, dar un bit cuantic (mulțumită legilor mecanicii cuantice, care guvernează comportamentul particulele foarte mici) poate avea o combinație a ambelor.

Dacă vă imaginați un bit obișnuit ca o săgeată care poate fi îndreptată fie în sus, fie în jos, un qubit este o săgeată care poate fi îndreptată în orice direcție (sau ceea ce se numește „suprapunere” de sus și de jos).

Aceasta înseamnă că un computer cuantic ar fi mult mai rapid decât un computer obișnuit pentru anumite tipuri de calcule – în special unele legate de descifrarea codurilor și simularea sistemelor naturale.

Până acum, totul bine. Din păcate, realizarea unor qubiți reali și transferul informații în și din ei nu sunt ușor de obținut, deoarece interacțiunile cu lumea exterioară pot distruge stările cuantice delicate din interior.

Cercetătorii au încercat o mulțime de tehnologii diferite pentru a obţine qubiți, folosind atomi prinși în câmpuri electrice sau curenţi electrici în supraconductori.

Fire minuscule și particule exotice

Microsoft a ales o abordare foarte diferită pentru a-și construi „qubiții topologici”. Ei au folosit particule Majorana, teoretizate pentru prima dată în 1937 de către fizicianul italian Ettore Majorana.

Particulele Majorana nu apar în mod natural, cum ar fi electronii sau protonii. În schimb, ele există doar în interiorul unui tip rar de material numit supraconductor topologic (care necesită un design avansat de material și trebuie să fie răcit la temperaturi extrem de scăzute).

Într-adevăr, particulele Majorana sunt atât de exotice încât sunt de obicei studiate doar în universități – nu sunt folosite în aplicații practice.

Echipa Microsoft spune că a folosit o pereche de fire minuscule, fiecare cu o particulă Majorana prinsă la un capăt, pentru a acționa ca un qubit. Valoarea qubitului – exprimată prin prezenţa unui electron pe un fir sau altul, se măsoară prin intermediul microundelor.

Biți împletiţi

De ce a depus Microsoft tot acest efort?

Deoarece schimbând pozițiile particulelor Majorana (sau măsurându-le într-un anumit fel), acestea pot fi „împletite” astfel încât să poată fi măsurate fără eroare și să fie rezistente la interferențe exterioare (aceasta este partea „topologică” a „qubiților topologici”).

În teorie, un computer cuantic care foloseşte particule Majorana poate fi complet lipsit de erorile qubit care afectează alte modele.

Acesta este motivul pentru care Microsoft a ales o abordare aparent atât de laborioasă. Alte tehnologii sunt mai predispuse la erori și sute de qubiți fizici ar putea fi necesari să fie combinați împreună pentru a produce un singur „qubit logic” fiabil.

În schimb, Microsoft și-a dedicat timpul și resursele în dezvoltarea qubiților bazați pe particulele Majorana.

Deși a întârziat la startul întrecerii pentru calculul cuantic, Microsoft speră că va reuși rapid să ajungă din urmă concurenţa.

Procesorul cuantic Majorana 1. Credit: Microsoft

Întotdeauna există o problemă

Ca întotdeauna, dacă ceva sună prea frumos pentru a fi adevărat, există şi o problemă. Chiar și pentru un computer cuantic bazat pe Majorana, precum cel anunțat de Microsoft, o operație – cunoscută sub numele de T-gate – nu va fi realizată fără erori.

În concluzie, cipul cuantic bazat pe Majorana este doar „aproape fără erori”. Cu toate acestea, corectarea erorilor T-gate este mult mai simplă decât corectarea generală a erorilor altor platforme cuantice.

Ce urmează? Microsoft intenționează să mărească numărul qubiților.

Comunitatea științifică va urmări îndeaproape procesoarele de calcul cuantic de la Microsoft și cum funcționează acestea în comparație cu celelalte procesoare de calcul cuantic deja consacrate.

În același timp, cercetările asupra comportamentului exotic și obscur al particulelor Majorana vor continua la universitățile de pe tot globul.

Traducere după Microsoft just claimed a quantum breakthrough. A quantum physicist explains what it means