Majorana 1: Wat de aankondiging van Microsoft betekent voor de toekomst van quantumcomputers

In een dramatische aankondiging onthulde Microsoft woensdag de creatie van de eerste quantumchip op basis van topologische qubits , een speciaal type qubit gebaseerd op deeltjes genaamd Majorana-fermionen. De nieuwe Quantum Processing Unit, genaamd “Majorana 1” ter ere van de Italiaanse natuurkundige, is een prototype gebouwd met de eerste “topoconductor”, een speciale supergeleider die in staat is om “quasideeltjes” te huisvesten die zich in de “topologische” toestand van materie bevinden en deze te benutten om kwantumbewerkingen uit te voeren.

Het voordeel van topologische qubits In tegenstelling tot andere qubits die vaker worden gebruikt in quantumcomputers door Google, IBM, Rigetti en vele anderen, zijn topologische qubits veel moeilijker te realiseren, omdat ze de creatie van een nieuwe toestand van materie veronderstellen. Microsoft zelf probeert dit al minstens twintig jaar.

Ze hebben echter, in theorie althans, een fundamenteel voordeel ten opzichte van de anderen: ze zijn veel beter bestand tegen de degradatie van hun kwantumtoestand - noodzakelijk om berekeningen uit te voeren - vanwege de manier waarop ze werken. Vergeleken met andere qubits zijn ze in essentie veel ‘robuuster’ en beter bestand tegen fouten op hardwareniveau, waardoor de noodzaak voor een enorme foutcorrectie op softwareniveau vervalt.

Dit komt omdat de ‘topologische’ toestand wordt gekenmerkt door eigenschappen die, in tegenstelling tot de vloeibare, vaste en gasvormige toestanden, niet afhankelijk zijn van de lokale kenmerken van het materiaal (zoals de atomaire ordening), maar van globale, vaste eigenschappen die gekoppeld zijn aan de wiskundige structuur ervan.

Als de resultaten van Microsoft worden bevestigd, kan dit de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van nieuwe quantumchips die veel stabieler en beter te controleren zijn. Daarmee wordt de weg naar quantumcomputers die een revolutie teweeg kunnen brengen in de computertechnologie verkort van een paar decennia naar een paar jaar. Volgens Microsoft bevat de Majorana 1-chip al 8 van deze qubits. Deskundigen zijn het erover eens dat voor echte superioriteit van quantum computing en voor geldige commerciële toepassingen chips met minimaal een miljoen qubits nodig zijn.

Volgens Microsoft kan het vermogen om fouten op fysiek niveau te beperken ertoe leiden dat de rekenkracht veel gemakkelijker naar deze niveaus kan worden opgeschaald, omdat er geen foutcorrectiesysteem op elke qubit hoeft te worden toegepast, wat typisch is voor andere 'niet-topologische' benaderingen.

"Je komt niet tot een miljoen qubits zonder bloed, zweet en tranen, en zonder onderweg een heleboel zeer moeilijke technische uitdagingen op te lossen", vertelde Chetan Nayak, een technisch medewerker bij Microsoft en leider van het team dat experimenteert met de topologische benadering, aan MIT Technology Review. “Ze willen de moeilijkheden die we in de toekomst zullen tegenkomen niet bagatelliseren, maar we kunnen wel zeggen dat we in ieder geval zicht hebben op het doel.”

Hoeveel marketing en hoeveel wetenschap? Maar zoals altijd in dit soort gevallen is het noodzakelijk om het koren van de toegepaste wetenschap te scheiden van het kaf van de wetenschappelijke marketing. Het blijft met name onduidelijk waarom de uitspraken van de CEO van Microsoft en het persbericht, waarin duidelijk sprake is van een ‘nieuwe toestand van materie’, en de inhoud van het wetenschappelijke artikel dat gelijktijdig met de aankondiging in Nature is gepubliceerd , twee verschillende verhalen lijken te vertellen.

"Microsoft heeft een wetenschappelijk team van topklasse dat eersteklas resultaten produceert", legt professor Tommaso Calarco, kwantumfysicus en hoogleraar aan de Universiteit van Bologna, uit aan Italian.Tech. “Ik vraag me echter af hoe we tot de uitspraak van de CEO zijn gekomen, want uit wat we in Nature kunnen lezen, is nog steeds geen zekerheid dat wat gemeten is, daadwerkelijk een topologische qubit is. Uit de verklaringen van Microsoft blijkt echter duidelijk dat het resultaat is bereikt.

De kern van de zaak is dit: in de aankondiging van Microsoft wordt gesproken over de creatie van de eerste topologische qubit en wordt daarom verondersteld dat de onderzoeksteams erin geslaagd zijn om een ​​Majorana-fermion te 'synthetiseren' (sorry voor de simplificatie), waarbij het bestaan ​​en de kwantumtoestand (Majorana Zero Mode) ervan correct zijn gemeten in de topologische supergeleider die Microsoft 'atoom op atoom' heeft gecreëerd met behulp van aluminium en indiumarsenide.

Wat het Nature-artikel werkelijk zegt Het artikel dat in Nature is gepubliceerd, richt zich echter op de meetbenadering en “bewijst” het bestaan ​​van quasideeltjes in de supergeleider nog niet, maar beweert een fundamenteel resultaat in het systeem te hebben verkregen om hun bestaan ​​te verifiëren.

“In dit artikel”, zo meldt Nature, “tonen we de mogelijkheid van een tijdsafhankelijke meting aan, waarmee we een fundamenteel ingrediënt van topologische kwantumberekening valideren.”

“In het artikel zeggen de onderzoekers het volgende: we zijn geslaagd in een operatie die fundamenteel is voor onze doeleinden”, legt Calarco uit. “Dit wetenschappelijke resultaat is op zichzelf al buitengewoon en van het hoogste niveau. Ze geven echter ook toe dat deze meting op dit moment nog niet bevestigt of het gemeten fenomeen daadwerkelijk verband houdt met de aanwezigheid van Majorana-fermionen, of dat het in plaats daarvan een triviaal en daarom niet-topologisch fenomeen is.

Het echte bewijs is te vinden in de redactionele notities bij het artikel, ook in Nature, waar de reviewers van het artikel waarschuwen voor de interpretatie van het artikel: "De redactie wil benadrukken dat de resultaten van dit manuscript geen bewijs vormen voor de aanwezigheid van Majorana Zero Modes ( de kwantumtoestand die relevant is voor het verkrijgen van topologische qubits - red. ) in de gerapporteerde apparaten. Het werk is gepubliceerd voor de introductie van een apparaatarchitectuur die toekomstige experimenten in fusie met Majorana Zero Modes mogelijk zou kunnen maken”.

De precedenten tussen Microsoft en Nature De extreme voorzichtigheid van Nature is hoogstwaarschijnlijk te danken aan de precedenten van Microsoft en het 'schandaal' dat in 2021 leidde tot de intrekking van een artikel over hetzelfde onderwerp, dat mede was ondertekend door onderzoekers die verbonden zijn aan het bedrijf uit Redmond en de Technische Universiteit Delft. In 2018 publiceerde Nature een artikel waarin het onderzoeksteam beweerde overtuigend bewijs te hebben gevonden voor de aanwezigheid van Majorana Zero Modes (MZM's) in supergeleidende nanodraden. Deze studie werd beschouwd als een van de sterkste bewijzen voor het bestaan ​​van MZM's en versterkte het idee dat Microsoft op de goede weg was met de bouw van een topologische quantumcomputer. Drie jaar later ontdekte een van de betrokken onderzoekers echter discrepanties in de berekeningen. Uit verder onderzoek bleek dat sommige gegevens waren geselecteerd om het gewenste signaal te benadrukken, terwijl andere gegevens die twijfels opriepen over de ontdekking, waren genegeerd.

Microsofts reactie Chetan Nayak, het hoofd van de onderzoeksgroep, reageerde op de golf van scepsis met een opmerking op de blog van Scott Aaronson , een Amerikaanse professor en computerwetenschapper die bekend staat om zijn populariseringswerk op het gebied van quantum computing. "Lezers van het Nature-artikel zullen waarschijnlijk hebben opgemerkt dat het artikel op 5 maart 2024 ter beoordeling is ingediend en op 19 februari 2025 is gepubliceerd. Het afgelopen jaar hebben we vooruitgang geboekt", legt Nayak uit, die verschillende technische details toevoegt die de meting van ten minste vier Majorana Zero Modes en dus de topologische aard van Microsofts qubits bevestigen.

Er is echter een fundamenteel probleem: deze resultaten, die duidelijk ten grondslag lagen aan de publieke festiviteiten van Microsoft, kunnen nog niet als 'peer reviewed' worden beschouwd en moeten daarom onvermijdelijk met een korreltje zout worden genomen. Zoals Aaronson uitlegt: “De situatie is dat Microsoft ondubbelzinnig beweert een topologische qubit te hebben gecreëerd en zojuist een relevant artikel in Nature heeft gepubliceerd, maar de claim een ​​topologische qubit te hebben gecreëerd is nog niet geaccepteerd door de peer review van Nature.” Enorme investeringen

Kortom, er is een goede kans dat Microsoft daadwerkelijk heeft bereikt wat het beweert, waaronder het ‘creëren van een nieuwe toestand van materie’. De wetenschappelijke zekerheid van een door vakgenoten beoordeeld artikel ontbreekt echter en het bedrijf wilde daar duidelijk niet op wachten om de nieuwe ontdekking met veel bombarie bekend te maken. “Als alles bevestigd zou worden en schaalbaar zou zijn zoals Microsoft beweert, zouden we zeker geconfronteerd worden met een sensationele ontdekking die de weg opent naar nieuwe toepassingen”, concludeert Calarco. “Maar als we ons houden aan wat we in Nature lezen, heeft de berg voorlopig de spreekwoordelijke muis gebaard. Laten we niet vergeten dat dit onderzoek echter enorme investeringen vereist die gerechtvaardigd moeten worden - zelfs intern binnen grote bedrijven. Het is onvermijdelijk dat er in de communicatie van deze resultaten ook een fundamenteel aspect van wetenschappelijke marketing zit”.