Quantum ComputingRynekPolecane tematy
Procesor Microsoft Majorana 1 ma umożliwić zbudowanie komputerów kwantowych o mocy przekraczającej 1 mln kubitów
Microsoft zaprezentował dziś (19 lutego), pierwszy na świecie układ kwantowy oparty na nowej architekturze Topological Core – Majorana 1. Ma ona pozwolić na stworzenie komputerów kwantowych zdolnych do rozwiązywania problemów na skalę przemysłową w ciągu kilku lat, a nie dekad.
Majorana 1 ma pozwolić na stworzenie systemów kwantowych, które mogą skalować się do 1 mln kubitów na pojedynczym, mieszczącym się w dłoni chipie. Procesor ten wykorzystuje przełomowy rodzaj materiału, pierwszy na świecie topoconductor (topologiczny nadprzewodnik). Jest to specjalna kategoria materiałów stworzonych przez Microsoft, które mogą osiągać nowy stan skupienia – tzw. stan topologiczny – który nie do jednego z trzech znanych – ciała stałego, cieczy czy gazu.
Nowy typ materiału stworzony od podstaw
Topologiczny nadprzewodnik jest wykorzystywany do produkcji bardziej stabilnego kubitu, który jest szybki, mały i może być kontrolowany cyfrowo, bez kompromisów wymaganych przez obecne alternatywy. Nowy artykuł opublikowany w dziś (19 luty) w Nature opisuje, w jaki sposób naukowcy z Microsoftu byli w stanie stworzyć egzotyczne właściwości kwantowe kubitu topologicznego, a także dokładnie je zmierzyć, co jest niezbędnym krokiem do praktycznych obliczeń.
Odkrycie Microsoft wymagało opracowania zupełnie nowego stosu materiałów z arsenku indu i aluminium, z których Microsoft wiele sam zaprojektował i wytworzył atom po atomie. Celem było nakłonienie do istnienia nowych cząstek kwantowych zwanych Majoranami i wykorzystanie ich unikalnych właściwości, aby osiągnąć kolejny horyzont obliczeń kwantowych.
„Większość z nas dorastała, ucząc się, że istnieją trzy główne stany materii: stała, ciekła i gazowa. Dzisiaj to się zmieniło. Po blisko 20 latach badań udało nam się stworzyć zupełnie nowy stan, uzyskany dzięki nowej klasie materiałów – topologicznym nadprzewodnikom. Umożliwia to fundamentalny krok naprzód w informatyce” – komentuje Satya Nadella, prezes Microsoft.
Wytyczona droga od 8 do 1 mln kubitów
Topoconductor zasila procesor kwantowy Majorana 1. „Wierzymy, że to przełomowe odkrycie pozwoli nam na stworzenie naprawdę ‘sensownego’ komputera kwantowego nie w ciągu dziesięcioleci, jak niektórzy przewidywali, lecz w ciągu lat. Kubity stworzone za pomocą topologicznych nadprzewodników są szybsze, bardziej niezawodne i mniejsze” – dodaje.
„Mają one wielkość 1/100 milimetra, co oznacza, że mamy teraz jasną ścieżkę do stworzenia procesora o 1 mln kubitów (Majorana 1 ma ich na razie 8 – przyp. red.). Wyobraź sobie układ scalony, który mieści się na dłoni i który potrafi rozwiązywać problemy, z którymi nie poradziłyby sobie wszystkie, współczesne komputery na Ziemi razem wzięte!” – mówi z ekscytacją prezes Microsoft.
„Czasami naukowcy muszą pracować nad czymś przez dziesięciolecia, aby postęp był możliwy. Aby mieć duży wpływ na świat, potrzebna jest cierpliwość i wytrwałość. I cieszę się, że w Microsoft mamy możliwość takiego działania. Nie chodzi o reklamę technologii, chodzi o tworzenie technologii, która naprawdę służy światu” – dodaje.
Zapowiadany przez Microsoft 1 mln kubitów na jednym chipie to niezbędny próg, aby komputery kwantowe mogły dostarczać transformacyjne, realne rozwiązania – takie jak rozkładanie mikroplastiku na nieszkodliwe produkty uboczne lub wynalezienie samonaprawiających się materiałów do budownictwa, produkcji lub opieki zdrowotnej.
„Wszystkie obecne komputery na świecie działające razem nie są w stanie zrobić tego, co będzie w stanie zrobić komputer kwantowy o milionie kubitów” – przekonują przedstawiciele Microsoft. „Aplikacje o znaczeniu komercyjnym będą wymagały bilionów operacji na milionie kubitów, co byłoby nieosiągalne przy obecnych podejściach polegających na precyzyjnym sterowaniu analogowym każdego kubitu. Nasze podejście pomiarowe umożliwia cyfrowe sterowanie kubitami, co zmienia definicję i znacznie upraszcza sposób działania obliczeń kwantowych” – uważają.
Współpraca z DARPA nad rozwojem komputera kwantowego
Amerykańska DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), inwestującą w przełomowe technologie ważne dla bezpieczeństwa USA, włączyła Microsoft do rygorystycznego programu oceny, czy innowacyjne technologie obliczeń kwantowych mogłyby budować „komercyjnie istotne” systemy kwantowe szybciej, niż dotąd uważano za możliwe.
Microsoft jest jedną z dwóch firm zaproszonych do przejścia do ostatniej fazy programu DARPA Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC) – jednego z programów składających się na inicjatywę DARPA Quantum Benchmarking Initiative. Jej celem jest dostarczenie pierwszego w branży odpornego na błędy komputera kwantowego o skali użytkowej lub takiego, którego wartość obliczeniowa przekracza jego koszty.
Przełomy osiągane z pomocą komputerów kwantowych
Komputery kwantowe można wykorzystywać np. do matematycznego mapowania zachowań natury z niesamowitą precyzją – od reakcji chemicznych po interakcje molekularne czy energie enzymów. Maszyny o 1 mln kubitów i więcej powinny być w stanie rozwiązać pewne typy problemów w chemii, nauce o materiałach i innych branżach, których dzisiejsze, klasyczne komputery nie są w stanie dokładnie obliczyć.
„Mogłyby np. pomóc rozwiązać trudne pytanie dotyczące tego, dlaczego materiały ulegają korozji lub pękają. Mogłoby to doprowadzić do samonaprawiających się materiałów, które naprawiałyby pęknięcia w mostach lub częściach samolotów, rozbite ekrany telefonów lub zarysowane drzwi samochodowe” – stwierdzają przedstawiciele Microsoft.
„Komputery kwantowe mogłyby także obliczyć właściwości takich katalizatorów, aby rozłożyć zanieczyszczenia na cenne produkty uboczne lub opracować nietoksyczne alternatywy. Enzymy zaś można by wykorzystać bardziej efektywnie w opiece zdrowotnej i rolnictwie, dzięki dokładnym obliczeniom ich zachowania, które może zapewnić tylko komputer kwantowy” – dodają.
Nowe spojrzenie na obliczenia kwantowe na skalę
Świat kwantowy działa zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, które nie są tymi samymi prawami fizyki rządzącymi otaczającym nas światem. Cząsteczki te nazywane są kubitami lub bitami kwantowymi, analogicznie do bitów lub jedynek i zer, których używają obecnie komputery.
Kubity są kapryśne i bardzo podatne na zaburzenia i błędy pochodzące z ich otoczenia, które powodują ich rozpad i utratę informacji. Na ich stan może również wpływać pomiar. Nieodłącznym wyzwaniem jest opracowanie kubitu, który można mierzyć i kontrolować, a jednocześnie zapewnia ochronę przed szumem otoczenia, który je uszkadza.
Kubity można tworzyć na różne sposoby, każdy z zaletami i wadami. Prawie 20 lat temu Microsoft zdecydował się na unikalne podejście: opracowanie kubitów topologicznych, które – jak uważał – zapewnią bardziej stabilne kubity wymagające mniejszej korekcji błędów, odblokowując w ten sposób zalety związane z szybkością, rozmiarem i sterowalnością.
„Podejście to wymagało ‘stromej krzywej uczenia się’, wymagającej nieznanych przełomów naukowych i inżynieryjnych, ale także najbardziej obiecującej ścieżki do tworzenia skalowalnych i kontrolowanych kubitów zdolnych do wykonywania pracy o wartości komercyjnej” – opisują proces naukowcy pracujący przy tym projekcie.
Wykorzystane przez Microsoft cząstki – Majoranamy – nie występują w naturze i można je zmusić do istnienia tylko za pomocą pól magnetycznych i nadprzewodników. Trudność w opracowaniu odpowiednich materiałów do tworzenia egzotycznych cząstek i ich powiązanego, topologicznego stanu materii jest powodem, dla którego większość wysiłków kwantowych skupiła się na innych rodzajach kubitów.
Artykuł w Nature podkreśla, że Microsoft nie tylko był w stanie stworzyć cząstki pomagające chronić informacje kwantowe przed przypadkowymi zakłóceniami, ale także może niezawodnie mierzyć te informacje za pomocą mikrofal.
Polska inwestuje w technologie kwantowe w ramach europejskiego Quantum Pact
