Majorana 1: Co ogłoszenie Microsoftu oznacza dla przyszłości komputerów kwantowych

W dramatycznym ogłoszeniu Microsoft ujawnił w środę powstanie pierwszego układu kwantowego bazującego na kubitach topologicznych , czyli szczególnym typie kubitów bazujących na cząstkach zwanych fermionami Majorany. Nowa Jednostka Przetwarzania Kwantowego, nazwana „Majorana 1” na cześć włoskiego fizyka, to prototyp zbudowany z pierwszego „topoprzewodnika”, specjalnego nadprzewodnika zdolnego do przyjmowania „kwazicząstek” istniejących w „topologicznym” stanie materii i wykorzystywania ich do przeprowadzania operacji kwantowych.

Zalety kubitów topologicznych W przeciwieństwie do innych kubitów powszechnie stosowanych w komputerach kwantowych przez firmy Google, IBM, Rigetti i wiele innych, kubity topologiczne są znacznie trudniejsze do zrealizowania, ponieważ zakładają stworzenie nowego stanu materii: sam Microsoft próbuje to zrobić od co najmniej dwudziestu lat.

Jednak przynajmniej w teorii mają one zasadniczą przewagę nad innymi: są o wiele bardziej odporne na degradację swojego stanu kwantowego - niezbędnego do przeprowadzania obliczeń - ze względu na samą zasadę ich działania. W porównaniu z innymi kubitami są one zasadniczo o wiele bardziej „odporne” i odporne na błędy już na poziomie sprzętowym, eliminując w ten sposób potrzebę ogromnych nakładów na korekcję błędów na poziomie oprogramowania.

Dzieje się tak, ponieważ stan „topologiczny” charakteryzuje się właściwościami, które w przeciwieństwie do stanów ciekłego, stałego i gazowego, nie zależą od lokalnych cech materiału (takich jak układ atomów), lecz od globalnych, stałych właściwości powiązanych z jego strukturą matematyczną.

Jeśli wyniki Microsoftu się potwierdzą, mogą one utorować drogę do stworzenia nowych układów scalonych kwantowych, które będą znacznie bardziej stabilne i kontrolowalne, co skróci drogę do powstania komputerów kwantowych zdolnych zrewolucjonizować informatykę z kilku dekad do kilku lat. Według Microsoftu układ Majorana 1 zawiera już 8 takich kubitów. Eksperci są zgodni, że aby osiągnąć prawdziwą dominację komputerów kwantowych i znaleźć sensowne zastosowania komercyjne, niezbędne są układy scalone zawierające co najmniej milion kubitów.

Microsoft twierdzi, że możliwość ograniczenia błędów na poziomie fizycznym może pozwolić na znacznie łatwiejsze skalowanie mocy obliczeniowej do tych poziomów, ponieważ nie wymaga stosowania systemu korekcji błędów do każdego kubitu, co jest typowe dla innych podejść „nietopologicznych”.

„Nie da się zbudować miliona kubitów bez krwi, potu i łez oraz bez rozwiązania wielu bardzo trudnych wyzwań technicznych po drodze” – powiedział Chetan Nayak, pracownik techniczny w firmie Microsoft i lider zespołu eksperymentującego z podejściem topologicznym, w wywiadzie dla MIT Technology Review. „Nie chcą bagatelizować trudności, z jakimi przyjdzie nam się zmierzyć w przyszłości, ale możemy powiedzieć, że przynajmniej mamy wizję celu”.

Ile marketingu, a ile nauki? Jednak, jak zawsze w takich przypadkach, należy oddzielić ziarno nauki stosowanej od plew marketingu naukowego. W szczególności nie jest jasne, dlaczego oświadczenia dyrektora generalnego Microsoftu i komunikat prasowy, które wyraźnie mówią o „nowym stanie materii”, a także treść artykułu naukowego opublikowanego w czasopiśmie Nature w tym samym czasie, co ogłoszenie , zdają się opowiadać dwie różne historie.

„Microsoft ma najwyższej klasy zespół naukowy, który osiąga pierwszorzędne wyniki” – wyjaśnia profesor Tommaso Calarco, fizyk kwantowy i profesor na Uniwersytecie Bolońskim, w wywiadzie dla Italian.Tech. „Zastanawiam się jednak, jak doszliśmy do oświadczenia CEO, ponieważ z tego, co możemy przeczytać w czasopiśmie Nature, nadal nie ma pewności, że zmierzony obiekt był rzeczywiście kubitem topologicznym. Z oświadczeń Microsoftu wynika jednak jasno, że wynik został osiągnięty”.

Sedno sprawy jest następujące: ogłoszenie Microsoftu mówi o stworzeniu pierwszego kubitu topologicznego, a zatem zakłada, że ​​zespołom badawczym udało się „zsyntetyzować” (przepraszam za uproszczenie) fermion Majorany, prawidłowo mierząc jego istnienie i stan kwantowy (tryb zerowy Majorany) wewnątrz nadprzewodnika topologicznego stworzonego przez Microsoft metodą „atom na atomie” z wykorzystaniem glinu i arsenku indu.

Co naprawdę mówi artykuł w czasopiśmie Nature Artykuł opublikowany w czasopiśmie Nature skupia się jednak na podejściu pomiarowym i nie „udowadnia” jeszcze istnienia kwazicząstek w nadprzewodniku, lecz twierdzi, że uzyskano fundamentalny wynik w układzie, który potwierdza ich istnienie.

„W tym artykule” – donosi Nature – „zademonstrowaliśmy możliwość pomiaru rozdzielczego w czasie, potwierdzając tym samym fundamentalny składnik topologicznych obliczeń kwantowych”.

„W artykule naukowcy piszą tak: odnieśliśmy sukces w operacji, która ma fundamentalne znaczenie dla naszych celów” – wyjaśnia Calarco. „Ten wynik naukowy sam w sobie jest niezwykły i najwyższej klasy. Przyznają jednak, że pomiary te na razie nie potwierdzają, czy obserwowane zjawisko jest rzeczywiście związane z obecnością fermionów Majorany, czy też jest to zjawisko trywialne, a zatem nietopologiczne”.

Prawdziwym dowodem są uwagi redakcyjne do artykułu, również w czasopiśmie Nature, w których recenzenci ostrzegają przed interpretacją pracy: „Zespół redakcyjny chciałby podkreślić, że wyniki niniejszego manuskryptu nie stanowią dowodu na obecność modów zerowych Majorany ( stan kwantowy istotny dla uzyskania kubitów topologicznych – przyp. red. ) w opisywanych urządzeniach. Pracę publikuje się w celu wprowadzenia architektury urządzenia, która mogłaby umożliwić przyszłe eksperymenty w zakresie fuzji z trybami zerowymi Majorany”.

Precedensy między Microsoftem a Nature Nadzwyczajna ostrożność Nature wynika najprawdopodobniej z precedensów Microsoftu i „skandalu”, który w 2021 r. doprowadził do wycofania artykułu na ten sam temat, podpisanego wspólnie przez badaczy związanych z firmą z Redmond i Uniwersytetem Technologicznym w Delfcie. W 2018 r. w czasopiśmie Nature opublikowano artykuł, w którym zespół badawczy twierdził, że zaobserwował przekonujące dowody na obecność modów zerowych Majorany (MZM) w nadprzewodzących nanodrutach. Badanie to uznano za jeden z najsilniejszych dowodów na istnienie MZM i wzmocniło przekonanie, że Microsoft jest na dobrej drodze do zbudowania topologicznego komputera kwantowego. Jednak trzy lata później jeden z badaczy biorących udział w badaniu odkrył rozbieżności w obliczeniach. Dalsze badania ujawniły, że niektóre dane wybrano tak, aby uwypuklić pożądany sygnał, ignorując jednocześnie inne, które rzucały cień na odkrycie.

Odpowiedź Microsoftu Chetan Nayak, szef grupy badawczej, odpowiedział na falę sceptycyzmu komentarzem na blogu Scotta Aaronsona , amerykańskiego profesora i informatyka znanego z popularyzacji informatyki kwantowej. „Czytelnicy artykułu w Nature prawdopodobnie zauważyli, że artykuł został przesłany do recenzji 5 marca 2024 r. i opublikowany 19 lutego 2025 r. W ciągu ostatniego roku nadal czyniliśmy postępy” — wyjaśnia Nayak, dodając kilka szczegółów technicznych, które potwierdzają pomiar co najmniej czterech trybów zerowych Majorany, a zatem topologiczną naturę kubitów Microsoftu.

Istnieje jednak zasadniczy problem: wyniki te, które wyraźnie posłużyły za podstawę publicznej uroczystości Microsoftu, nie mogą być jeszcze uznane za „recenzowane przez ekspertów” i dlatego należy je traktować z przymrużeniem oka. Jak wyjaśnia Aaronson, „Sytuacja jest taka, że ​​Microsoft jednoznacznie twierdzi, że stworzył topologiczny kubit i właśnie opublikował stosowny artykuł w czasopiśmie Nature, ale twierdzenie o stworzeniu topologicznego kubitu nie zostało jeszcze zaakceptowane przez recenzentów czasopisma Nature”. Ogromne inwestycje

Krótko mówiąc, istnieje duże prawdopodobieństwo, że Microsoft rzeczywiście osiągnął to, co twierdzi, w tym „stworzył nowy stan materii”. Brakuje jednak pewności naukowej, jaką daje recenzowany artykuł, a firma najwyraźniej nie chciała czekać na ogłoszenie nowego odkrycia z wielką pompą. „Gdyby wszystko się potwierdziło i było skalowalne, jak twierdzi Microsoft, z pewnością stanęlibyśmy w obliczu sensacyjnego odkrycia, które otwiera drogę do nowych zastosowań” – podsumowuje Calarco. „Jeśli jednak mamy trzymać się tego, co czytamy w Nature, na razie góra wydała na świat przysłowiową mysz. Nie zapominajmy, że badania te wymagają jednak ogromnych inwestycji, które muszą być uzasadnione – nawet wewnętrznie w dużych firmach. Nieuniknione jest, że w przekazywaniu tych wyników jest również fundamentalny aspekt marketingu naukowego”.