Microsoft ogłasza nowy typ procesora kwantowego i spotyka się ze sceptycyzmem

Wiadomości brzmią spektakularnie. W środę Microsoft zaprezentował nowy typ układu kwantowego o nazwie Majorana 1, który opiera się na topologicznych bitach kwantowych. Te bity kwantowe są znacznie mniej podatne na błędy niż te stosowane przez firmy takie jak Google, IBM czy IonQ. Dzięki topologicznym bitom kwantowym możliwe będzie zbudowanie komputerów kwantowych, które będą w stanie rozwiązywać istotne problemy w ciągu zaledwie kilku lat, a nie dziesięcioleci – obiecuje Microsoft.

Firma mówi o zdecydowanym kroku naprzód i powołuje się na publikację, która ukazała się tego samego dnia w czasopiśmie „Nature” . Nie ma jednak żadnej wzmianki o topologicznym bicie kwantowym, nie mówiąc już o układzie scalonym zawierającym kilka takich bitów. Zamiast tego mówi się, że wyniki te stanowią znaczący krok naprzód w kierunku realizacji topologicznego bitu kwantowego. Jak zatem wyglądają wyniki badań firmy Microsoft?

Nie ulega wątpliwości, że topologiczne bity kwantowe w ogromnym stopniu przyspieszyłyby budowę potężnego komputera kwantowego. Współczesne komputery kwantowe wykorzystują neutralne atomy, jony lub maleńkie nadprzewodzące obwody do przechowywania informacji. Te bity kwantowe można umieścić w stanach, które pozwalają na wykonywanie obliczeń znacznie wydajniej niż w przypadku stanów bitów konwencjonalnych. Nadzieja jest taka, że ​​pewnego dnia będziemy w stanie rozwiązać problemy, z którymi nie potrafią sobie poradzić nawet dzisiejsze superkomputery.

Jednakże obecnie stosowane bity kwantowe są bardzo podatne na błędy. Nawet najmniejsze zaburzenie powoduje rozpad wrażliwych stanów kwantowych, a cała przewaga komputera nad klasycznym komputerem znika. Dlatego też panuje tendencja do łączenia wielu bitów kwantowych w jeden logiczny bit kwantowy, który jest mniej podatny na błędy niż pojedyncze bity. Google niedawno wykazało, że takie podejście jest obiecujące. Wymaga to jednak ogromnej struktury bitów kwantowych, które nie robią nic poza korygowaniem błędów.

Microsoft od dawna stosuje inne podejście. Firma próbuje opracować bity kwantowe, które będą z natury wytrzymałe i dzięki temu będzie można je rzadziej korygować. Aby to osiągnąć, informacje kwantowe muszą być przechowywane w sposób odporny na izolowane zakłócenia. Mówi się zatem, że informacja kwantowa jest chroniona topologicznie.

Badania nad tego typu topologicznymi bitami kwantowymi trwają od lat. Podstawowym pomysłem jest doprowadzenie do kontaktu półprzewodnikowego nanodrutu z nadprzewodnikiem. Jeżeli do przewodu przyłożymy równolegle pole magnetyczne, na jego końcach powinny powstać dwa stany wzbudzone. Te przestrzennie oddzielone, ale połączone ze sobą stany nazywane są stanami Majorany. Teoretycznie nadają się do przechowywania informacji kwantowej.

W publikacji w czasopiśmie Nature badacze z Microsoftu pokazują, jak można rozróżnić dwa stany 0 i 1 bitu kwantowego. Nie mogą jednak wykluczyć, że zmierzone różnice są spowodowane innymi efektami w nanodrucie i dlatego nie mają nic wspólnego z wytrzymałymi stanami Majorany. Eksperymentu Microsoftu nie można jeszcze nazwać topologicznym bitem kwantowym, twierdzi fizyk ciała stałego Klaus Ensslin z ETH w Zurychu.

Nie powstrzymuje to jednak Microsoftu przed upublicznieniem informacji i oświadczeniem, że udało mu się pokonać istotną przeszkodę na drodze do stworzenia odpornego na błędy komputera kwantowego. Dosłownie brzmi: „Dziś zademonstrowaliśmy pierwszy na świecie kubit topologiczny”.

Jak wyjaśnia Chetan Nayak, który odpowiada za rozwój topologicznego komputera kwantowego w firmie Microsoft, publikację złożono w czasopiśmie Nature rok temu. Od tego czasu poczyniono znaczne postępy. Opracowano układ scalony zawierający osiem topologicznych bitów kwantowych. Ponadto pokazano, jak można wprowadzić taki bit w stan, który jednocześnie reprezentuje wartości 0 i 1. Takie stany superpozycji odróżniają bit kwantowy od zwykłego bitu, który może reprezentować tylko jedną z tych dwóch wartości.

Jak mówi Nayak, tymi dodatkowymi odkryciami podzielono się w tym tygodniu na spotkaniu z ponad setką naukowców. Darpa także jest przekonana co do tej koncepcji. Departament Obrony USA podjął niedawno decyzję o wsparciu budowy topologicznego komputera kwantowego.

Jeśli nowe wyniki Microsoftu okażą się poprawne, będzie to rzeczywiście duży krok naprzód. Dopóki jednak nie nastąpi żadna publikacja, nie można tego poważnie oceniać.

Microsoft mógł przewidzieć, że jego podejście spotka się ze sceptycyzmem. Nie byłby to pierwszy raz, kiedy w tej dziedzinie obiecano nam zbyt wiele. W 2018 r. finansowana przez Microsoft grupa badawcza z TU Delft opublikowała w czasopiśmie Nature artykuł, który dostarczył mocnych dowodów na istnienie stanów Majorany. Dwa lata później trzeba było ją wycofać . Grupa ekspertów doszła do wniosku, że autorzy przedstawili wyłącznie dane potwierdzające ich hipotezę. Pominięto dane podważające skuteczność tej historii.

Microsoft zakończył współpracę z TU Delft. Od tego czasu badania nad topologicznymi komputerami kwantowymi prowadzone są głównie w laboratoriach firmy.

W ostatnich latach jednak sam Microsoft zdaje się wątpić w sukces tego przedsięwzięcia. Równolegle z badaniami nad topologicznymi bitami kwantowymi firma zainwestowała w dwa start-upy, które opierają się na konwencjonalnych bitach kwantowych: komputery kwantowe firmy Quantinum dokonują obliczeń przy użyciu zjonizowanych atomów, podczas gdy komputery firmy Atom Computing dokonują obliczeń przy użyciu atomów neutralnych. Współpracując z obydwoma partnerami, Microsoft w ostatnich miesiącach udowodnił, że można skutecznie ograniczyć błędy bitów kwantowych. Czy topologiczny komputer kwantowy osiągnie swój cel szybciej, będzie można ocenić dopiero po opublikowaniu przez Microsoft wszystkich danych.

Obserwuj zespół redakcyjny NZZ science na X.