A jövő számítógépe megérkezett? A Microsoft bejelentése mindenkit meglepett

A Microsoft bejelentette a kvantumszámítástechnika terén elért jelentős áttörését: sikeresen létrehozták az első "topológiai qubiteket....

A Microsoft bejelentette a kvantumszámítástechnika terén elért jelentős áttörését: sikeresen létrehozták az első "topológiai qubiteket." Ez az innováció, amelyet a Majorana 1 processzorban fejlesztettek ki, egy egzotikus anyagállapotban tárolja az információt, és potenciálisan előnyhöz juttathatja a Microsoftot versenytársaival, például az IBM-mel és a Google-lel szemben.

Ha állításaik igaznak bizonyulnak, ez forradalmi változást hozhat a teljes értékű kvantumszámítógép megépítéséért folytatott versenyben. (1)

A bejelentéssel párhuzamosan a Microsoft egy lektorált tanulmányt tett közzé a Nature folyóiratban, valamint egy részletes ütemtervet is nyilvánosságra hozott, amely a kvantumszámítógépes fejlesztések következő lépéseit vázolja fel. (2) A végső cél egy olyan gép megalkotása, amely akár egymillió qubitet képes befogadni - ez elegendő számítási teljesítményt biztosítana titkosítási kódok feltöréséhez, az anyagtudomány forradalmasításához és a gyógyszerkutatás felgyorsításához. Az izgalom ellenére azonban még számos technikai akadályt kell leküzdeni.

Mik azok a qubitek, és miért fontosak?

A kvantumszámítástechnika az 1980-as években megfogalmazott koncepció, amely a klasszikus számítógépeknél lényegesen nagyobb számítási teljesítményt ígér. Míg a hagyományos számítógépek bitekkel (0 és 1) tárolják az információt, addig a kvantumszámítógépek kvantumbiteket, azaz qubiteket használnak.

Egy klasszikus bit bináris, tehát kizárólag két állapotban létezhet: 0 vagy 1. A qubit ezzel szemben a kvantummechanika elvei miatt szuperpozícióban is lehet, vagyis egyidejűleg mindkét állapotot felveheti. Ezt úgy lehet elképzelni, mintha egy nyíl egy klasszikus számítógépben csak felfelé vagy lefelé mutathatna, míg egy kvantumszámítógépben bármilyen irányba állhat.

Ez a tulajdonság lehetővé teszi, hogy a kvantumszámítógépek párhuzamosan dolgozzák fel az információt, így bizonyos feladatoknál exponenciálisan gyorsabbak lehetnek, például az információk visszafejtésében vagy összetett rendszerek, például molekulák és kémiai reakciók szimulálásában. A qubitek azonban rendkívül érzékenyek, és a külső környezet legkisebb zavara is megzavarhatja kvantumállapotukat, ami számítási hibákhoz vezethet.

A Microsoft egyedi megközelítése: Topológiai qubitek

Különböző vállalatok eltérő módszereket fejlesztettek ki a stabil qubitek létrehozására. Egyesek elektromágneses mezőkben csapdába ejtett atomokat használnak, míg mások szupravezető áramkörökre építenek. A Microsoft azonban egy teljesen új megoldást választott: topológiai qubiteket épít Majorana-részecskék segítségével.

A Majorana-részecskéket először Ettore Majorana olasz fizikus jósolta meg 1937-ben. Ezek a részecskék természetes formájukban nem fordulnak elő, de topológiai szupravezetőknek nevezett speciális anyagokban mesterségesen előállíthatók. Ezek az anyagok rendkívül alacsony hőmérsékletet és kifinomult gyártási technológiát igényelnek, ami megnehezíti előállításukat.

A Microsoft módszere apró vezetékeket alkalmaz, amelyek mindkét végén egy-egy Majorana-részecske található. A qubit értékét - amely attól függ, hogy az elektron az egyik vagy a másik vezetékben van - mikrohullámokkal mérik. A Majorana-alapú qubitek legnagyobb előnye, hogy "fonhatóak," vagyis kvantumállapotuk úgy manipulálható és mérhető, hogy az természeténél fogva ellenállóbb a hibákkal szemben.

A hibamentes kvantumszámítógépek ígérete

A hibajavítás az egyik legnagyobb kihívás a kvantumszámítástechnikában. Sok kvantumrendszerben több ezer fizikai qubitet kell kombinálni ahhoz, hogy egyetlen megbízható "logikai qubitet" alkossanak. Ez rendkívül megnehezíti a kvantumszámítógépek méretezését.

A Microsoft topológiai qubitjei egy lehetséges megoldást kínálnak. A Majorana-részecskék egyedi tulajdonságainak kihasználásával a céljuk olyan qubitek létrehozása, amelyek természetüknél fogva ellenállóbbak a hibákkal szemben, így megbízhatóbbak és könnyebben skálázhatók. Ez jelentős előnyt jelenthet a konkurenciával szemben, akik kevésbé stabil qubitkialakításokra támaszkodnak.

A csapda: Hibamentes, de nem teljesen

A topológiai qubitek ígéretesek, de van egy korlátjuk. Bár a Majorana-alapú qubitek nagymértékben ellenállnak a hibáknak, egy adott művelet - amit T-kapunak neveznek - továbbra is hajlamos a hibákra. A Microsoft azonban azt állítja, hogy ezeknek a hibáknak a kijavítása sokkal egyszerűbb, mint az egyéb kvantumarchitektúrákban alkalmazott összetett hibajavító módszerek.

A Microsoft és a kvantumszámítástechnika jövője

Ezzel az áttöréssel a Microsoft célja, hogy a Nature folyóiratban bemutatott ütemterv alapján folytassa kvantumhardverének fejlesztését. A vállalat arra törekszik, hogy egyre nagyobb qubitgyűjteményeket hozzon létre, és közelebb kerüljön egy gyakorlatban is használható kvantumszámítógép megépítéséhez.

A tudományos közösség kiemelt figyelemmel kíséri majd a Microsoft állításainak független ellenőrzését és további tesztelését. Mielőtt a topológiai qubitek valódi alternatívává válhatnának a jelenlegi kvantumszámítási architektúrákkal szemben, további vizsgálatokra és bizonyítékokra lesz szükség.

Ezzel párhuzamosan a Majorana-részecskék és a topológiai szupravezetők kutatása tovább folytatódik, nemcsak a Microsoft laboratóriumaiban, hanem egyetemeken és kutatóintézetekben világszerte. Még ha a Microsoft megközelítése nem is bizonyul végső megoldásnak a kvantumszámítástechnikában, munkájuk kétségtelenül előrelendítette a terület fejlődését.

A Microsoft bejelentése az első topológiai qubitek megalkotásáról izgalmas mérföldkő a kvantumfölény eléréséért folytatott versenyben. Ha sikeresnek bizonyul, ez az áttörés stabilabb és jobban skálázható kvantumszámítógépekhez vezethet, amelyek forradalmasíthatják a titkosítást, az anyagtudományt és számos más területet.

Azonban a kvantumszámítástechnika továbbra is hosszú távú kihívás, és még sok akadályt kell leküzdeni. Bár a Microsoft megközelítése ígéretes előnyökkel jár, csak az idő és a szigorú tesztelés fogja eldönteni, hogy a topológiai qubitek jelentik-e a kvantumszámítógépek jövőjét. (3)

(1) - https://azure.microsoft.com/en-us/
(2) - https://www.nature.com/articles/s
(3) - https://theconversation.com/micr