Video: Prvi kvantni procesor s topološkim kubitima

Kvantna računala obećavaju preobrazbu znanosti i društva, ali tek nakon što postignu razmjer koji se nekada činio dalekim i nedostižnim. Microsoft kaže da za brzi napredak na putu do korisnog kvantnog računalstva sada ima Majorana 1, prvi čip za kvantnu obradu (QPU) na svijetu koju pokreće topološka jezgra, dizajnirana za skaliranje do milijun kubita na jednom čipu, kao što možete vidjeti u ovom videu. 

Istraživanje objavljeno u časopisu Nature, pokazuje sposobnost iskorištavanja nove vrste materijala i izradu radikalno drugačijeg tipa qubita koji je malen, brz i digitalno kontroliran.

Izradom prvog svjetskog prototipa otpornog na pogreške (FTP) temeljenog na topološkim kubitima, Microsoft je na putu da izgradi FTP skalabilnog kvantnog računala unutar nekoliko godina, a ne desetljeća, kao dio završne faze programa američke Agencije za napredna istraživanja obrane (DARPA) pod nazivom Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC).

Sve ovo se temelji na nedavnom otkriću Microsoftovog tima, prvom topovodiču na svijetu. Ova revolucionarna klasa materijala omogućuje stvaranje topološke supravodljivosti, novog stanja materije koje je prije postojalo samo u teoriji.

Napredak proizlazi iz Microsoftovih inovacija u dizajnu i izradi uređaja definiranih vratima koji kombiniraju arsenid indija (poluvodič) i aluminij (supravodič). Kada se ohlade do gotovo apsolutne nule i usklade s magnetskim poljima, ovi uređaji formiraju topološke supravodljive nanožice s Majorana Zero Modes (MZM) na krajevima žica.

MZM su građevni blokovi kubita, pohranjujući kvantne informacije kroz 'paritet', odnosno sadrži li žica paran ili neparan broj elektrona. U konvencionalnim supravodičima elektroni se vežu u Cooperove parove i kreću se bez otpora. Svaki nespareni elektron može se otkriti jer njegova prisutnost zahtijeva dodatnu energiju.

Microsoftovi topovodiči su drugačiji, ovdje se nespareni elektron dijeli između para MZM-a, što ga čini nevidljivim za okolinu. Ovo jedinstveno svojstvo štiti kvantnu informaciju.

Iako ovo topovodiče čini idealnim kandidatima za kubite, to također predstavlja izazov. Kako čitati kvantne informacije koje su tako dobro skrivene? Kako možemo razlikovati između, recimo, 1.000.000.000 i 1.000.000.001 elektrona?

Rješenje za ovaj izazov mjerenja funkcionira tako da se koriste digitalne sklopke za spajanje oba kraja nanožice s kvantnom točkom, koja je maleni poluvodički uređaj koji može pohraniti električni naboj. Ova veza povećava sposobnost točke da zadrži naboj. Ono što je ključno, točno povećanje ovisi o paritetu nanožice, a ta promjena se mjeri pomoću mikrovalova.

Sposobnost točke da drži naboj određuje kako se mikrovalovi reflektiraju od kvantne točke. Kao rezultat toga, vraćaju se noseći otisak kvantnog stanja nanožice.

Microsoftovi inženjeri su uređaje dizajnirali tako da su te promjene dovoljno velike za pouzdano mjerenje u jednom snimku pa kažu da su  početna mjerenja imala vjerojatnost pogreške od 1%, a identificirali su i jasne putove kako to značajno smanjiti.

Također kažu da sustav pokazuje impresivnu stabilnost. Vanjska energija poput elektromagnetskog zračenja, može razbiti Cooperove parove, stvarajući nesparene elektrone koji mogu promijeniti stanje qubita iz parnog u neparni paritet. Međutim, rezultati pokazuju da je to rijetko i događa se u prosjeku samo jednom u milisekundi.

To ukazuje na to da je zaštita koja obavija ovaj procesor učinkovita u sprečavanju takvog zračenja, a istražuju i načine kako to još više smanjiti.

Agencija za napredne obrambene istraživačke projekte (DARPA) odabrala je Microsoft kao jednu od dvije tvrtke koje će napredovati u završnu fazu svog rigoroznog benchmarking programa poznatog kao Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC), jednog od programa koji čine veću DARPA-inu Inicijativu kvantnog benchmarkinga (QBI). Microsoft na ovo priznanje gleda kao na potvrdu plana za izgradnju kvantnog računala otpornog na pogreške s topološkim kubitima.

Istraživači kažu da su prije osamnaest mjeseci postavili svoj roadmap do kvantnog superračunala, a sada su dostigli drugu prekretnicu, demonstrirajući prvi topološki qubit na svijetu i već su postavili osam topoloških kubita na čip dizajniran za smještaj jednog milijuna.

Kvantno računalo od milijun qubita nije samo prekretnica, ono je pristupnik rješavanju nekih od najtežih svjetskih problema.

Čak ni današnja najmoćnija superračunala ne mogu točno predvidjeti kvantne procese koji određuju svojstva materijala bitnih za našu budućnost.

Ali kvantno računalstvo na ovoj razini moglo bi dovesti do inovacija kao što su samoizlječivi materijali koji popravljaju pukotine na mostovima, održiva poljoprivreda i sigurnija kemijska otkrića.

Ono što danas zahtijeva milijarde dolara u iscrpnim eksperimentalnim pretragama i eksperimentima u laboratorijima moglo bi se pronaći pomoću izračuna na kvantnom računalu.