Microsoft opfinder en ny tilstand af stof til Majorana-1 kvantecomputeringchip

Ny tilstand af stof til at skalere kvantecomputer

Det har været nogle begivenhedsrige måneder for fremskridt inden for kvantecomputing og de virksomheder, vi dækkede i “5 bedste kvantecomputing-virksomheder i 2025”.

Det startede med Googles Willow i december 2024, måske den første nogensinde skalerbare kvantechip. Derefter fulgte nyheden om den første distribuerede kvantecomputing over en optisk netværksforbindelse, som åbner vejen for at netværke kvantecomputere som almindelige i dedikerede servere.

Nu er det Microsofts tur til at gøre et stort indtryk med præsentationen af Majorana 1, en chip der bruger en helt ny tilstand af stof til at udføre kvantecomputing: topokonduktorer.

Microsoft hævder, at topokonduktorer kan producere mere pålidelige og skalerbare qubits, byggestenene for kvantecomputere.

Denne helt nye vej for kvantecomputing ændrer radikalt, hvordan Microsoft har til hensigt at bygge sine fremtidige kvantecomputere, med “en klar vej til at få en million qubits på en enkelt chip, der kan passe i håndfladen.”

Hvad er topokonduktorer?

Det ser ud til, at oprindelsen til gennembruddet stammer fra en ny tilgang, hvor man ser på at skabe en transistor dedikeret til kvantecomputing, som går ud over, hvad der hidtil er gjort.

“Vi tog et skridt tilbage og sagde ‘OK, lad os opfinde transistoren til den kvantealder. Hvilke egenskaber skal den have?’

Og det er virkelig sådan, vi kom hertil – det er den specifikke kombination, kvaliteten og de vigtige detaljer i vores nye materialestak, der har gjort det muligt at skabe en ny slags qubit og i sidste ende hele vores arkitektur.”

Chetan Nayak, Microsoft teknisk fellow

Topologiske superledere, beskrevet i den tilsvarende artikel offentliggjort i Nature¹, under titlen “Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices“, er en tilstand af stof, der adskiller sig fra de mere velkendte faste, flydende eller gasformige tilstande, eller endda de mere eksotiske som plasma eller Bose‑Einstein‑kondensat.

Den topologiske tilstand var kun teoretiseret indtil nu, først af Ettore Majorana (1906-1938), men pludselig ser det ud til, at den ikke kun er observerbar, men også kontrollerbar. Denne Majorana-partikel (også kaldet Majorana‑fermion), en partikel der er sin egen antipartikel, blev observeret af Microsofts forskere for første gang i 2024.

Majorana‑partikler ligner elektroner på visse måder og kan bruges til at bevare kvantedata, som er nyttige for kvanteberegning.

Dette var på ingen måde en hurtig succes og har tilsyneladende været resultatet af mere end 17 års forskning, Microsofts længst kørende forskningsprojekt, og indtil nu en meget velbevaret hemmelighed.

For at forenkle tingene (meget), er en topokonductor en halvleder, der deler noget af sin adfærd på atomart og sub‑atomart niveau med superledermaterialer.

Kilde: Microsoft

Metoden blev opnået ved at sammenføje indiumarsenid (en halvleder) og aluminium (en superleder) i en ledning.

Kilde: Physical Review

Når de køles ned til næsten det absolutte nulpunkt og justeres med magnetfelter, danner disse enheder topologiske superledende nanotråde, som indeholder såkaldte Majorana Zero Modes (MZM) i trådens ender.

Kilde: Microsoft

Ultra‑stabil kvantetilstand

I en “normal” superleder kan enhver uparret elektron detekteres, fordi dens tilstedeværelse kræver ekstra energi. Dette gør målingen enkel, men også meget følsom over for støj og forstyrrelser fra miljøet, hvilket gør enhver kvanteberegning vanskelig.

MZM’er er radikalt forskellige, da en uparret elektron deles mellem et par af MZM’er, hvilket gør den usynlig for miljøet. Denne unikke egenskab ved Majorana‑partikler beskytter den kvanteinformation, hvilket gør den ultra‑stabil og pålidelig.

Usynlige elektroner

Selvfølgelig, mens dette er ideelt for at bevare kvantetilstanden i en stabil og brugbar tilstand, gør det også enhver faktisk måling af den ekstremt vanskelig, hvorfor Majorana‑partikler kun har været teoretiske i et århundrede indtil for nylig.

Mens dette gør vores topokonduktorer til ideelle kandidater til qubits, præsenterer det også en udfordring: Hvordan læser vi kvanteinformation, der er så godt skjult? Hvordan kan vi skelne mellem f.eks. 1.000.000.000 og 1.000.000.001 elektroner?

Microsofts løsning på problemet udnyttede quantum dots, et unikt materiale vi diskuterede indgående i “Investering i Nobelpræmie‑præstationer – Quantum Dots & Nanocolors“. Det kan beskrives som en lille halvlederenhed, der kan lagre elektrisk ladning.

Quantum‑dot’en placeres i enden af den topologiske nanotråd. Denne forbindelse øger dot’ens evne til at holde på ladning. Væsentligt er, at den præcise stigning afhænger af nanotrådens paritet.

Kilde: Microsoft

Ved at måle tilstanden af quantum‑dots, en velkendt proces ved brug af mikrobølger, kan systemet også måle den ellers usynlige kvantetilstand af Majorana‑partiklen.

Kilde: Nature

Ikke kun er målingen mulig, den er også ekstremt pålidelig, selv med en første prototype, før yderligere optimering er foretaget.

Vi designede vores enheder, så disse ændringer er store nok til pålideligt at måle i et enkelt skud. Vores indledende målinger havde en fejlrate på 1 %, og vi har identificeret klare veje til at reducere dette betydeligt.

Ultra‑pålidelige qubits

Det ændrer fuldstændigt tilgangen til måling af kvantetilstande, som bruges i kvantecomputing.

Indtil nu krævede dette rotation af kvantetilstande gennem præcise vinkler, hvilket krævede komplekse analoge kontrolsignaler tilpasset hver qubit. Det gjorde fejlkorrigering, som er afhængig af samme metode, ekstremt kompleks, dyr og overordnet mindre pålidelig.

I stedet kan den metode, som Microsoft har opdaget, simpelthen korrigere fejl ved at forbinde og frakoble quantum‑dots fra nanotrådene ved hjælp af et digitalt puls.

Kilde: Microsoft

Hvis du er interesseret, kan du læse mere om detaljerne i, hvordan topokonduktorer er blevet udviklet i dette lange interview med Dr. Chetan Nayak, lederen bag dette Microsoft‑projekt.

I sig selv skalerbar arkitektur

Fordi systemet er så meget enklere med hensyn til ingeniørarbejde, hvis ikke inden for partikel­fysik, og også mere pålideligt og stabilt, er det naturligt lettere at skalere op.

Den grundlæggende komponent ville være en “tetron”, bestående af 2 nanotråde, 4 MZM og 4 quantum‑dots, som skaber en 2‑qubit‑enhed.

Når den parres med en anden, kan den danne en grundlæggende to‑qubit‑enhed, der understøtter en metode brugt i kvanteberegning kaldet “measurement‑based braiding transformations“.

Et 4×2‑array af tetrons kunne udføre fejldetektion på to logiske qubits.

Kilde: Microsoft

Denne blok kan derefter replikeres dusinvis, hundreder eller i sidste ende tusinder eller millioner af gange for at bygge en massiv kvantecomputer, meget større end noget, der hidtil er forestillet.

Det er måske ikke overraskende, at kvantecomputing kræver, at vi designer en ny tilstand af stof specifikt designet til at muliggøre den.

Det bemærkelsesværdige er, hvor præcis vores aflæsnings‑teknik allerede er, hvilket demonstrerer, at vi udnytter denne eksotiske tilstand af stof til kvantecomputing.

Endelig er den afgørende del, der gør denne teknologi særligt skalerbar, hvor små de fysiske komponenter er. Som resultat kan mere end en million fysiske qubits indsættes i en lille chip, der kan holdes i hånden.

Kilde: Microsoft

Yderligere forbedring

Som forklaret kan selv den 1 % fejlrate i målingen af quantum‑dots og MZM yderligere reduceres. Microsofts forskere ser allerede en måde at gøre det på.

Da fejl i beregning ophober sig på hinanden, kunne en 10‑gange reduktion af fejlraten øge den endelige nyttige beregningspotentiale markant.

En anden ting, der kan forbedres, er den overordnede stabilitet af Majorana‑partiklers kvantetilstand.

“Ekstern energi – såsom elektromagnetisk stråling – kan bryde Cooper‑par, skabe uparrede elektroner, der kan vende qubit‑ens tilstand fra lige til ulige paritet. Vores resultater viser dog, at dette er sjældent, kun én gang per millisekund i gennemsnit.”

Da systemet udviklet af Microsoft har demonstreret imponerende stabilitet, indikerer det, at afskærmningen allerede udfører sit arbejde godt. Der er dog sandsynligvis flere måder at reducere interferens yderligere, som allerede undersøges.

Accelerering af den kvantecomputing‑revolution

Det næste skridt for Microsoft er at bygge 4×2‑tetron‑arrayet ud over den indledende prototype og teste det i skala.

Og derefter bruge hele otte‑qubit‑arrayet til at implementere kvantefejldetektion (QEC) på to logiske qubits.

Fordi de topologiske qubits har indbygget fejlsikring, forenkler det QEC betydeligt. Derudover hævder Microsoft, at deres tilpassede QEC‑koder reducerer overhead omtrent 10‑gange sammenlignet med den tidligere state‑of‑the‑art‑tilgang.

Så ikke kun er Majorana‑baserede qubits mere pålidelige, de kan også køre hurtigere og kræver færre fysiske qubits for at producere én logisk qubit.

(logiske qubits er de nyttige måleenheder for praktiske anvendelser, på samme måde som en processor måles i operationer per sekund og ikke kun efter hvor mange transistorer den indeholder)

“Vi tror, at dette gennembrud vil gøre det muligt at skabe en virkelig meningsfuld kvantecomputer, ikke om årtier, som nogle har forudsagt, men om få år.”

Satya Nadella – Microsoft CEO

Anvendelser

Videnskab

Microsofts kommunikation omkring Majorana 1 fokuserer primært på de videnskabelige resultater, den kan skabe, især inden for biologi og materialvidenskab.

Disse er meget vigtige felter for kvantecomputing, da beregning af proteinfoldning til komplekse materialer til batterier, som beskriver hvordan de opfører sig på atomart niveau, er ekstremt beregningstungt og presser de nuværende supercomputere til deres grænser.

Skalerbare kvantecomputere vil kunne simulere disse problemer millioner eller endda billioner af gange mere effektivt, sandsynligvis muliggøre en massiv strøm af nye opdagelser.

Dette vil ske ikke kun ved at udføre tidligere umulige beregninger, men også ved at undgå milliarder af dollars i udtømmende eksperimentelle søgninger og vådlaboratorie‑eksperimenter.

• Selvreparerende materialer, der reparerer revner i broer.
• Bæredygtigt landbrug.
• Sikrere kemisk opdagelse.

I et 1‑time langt interview forklarede Microsofts CEO også, at fra hans perspektiv er den måde at se, om kvantecomputing og AI fungerer tilstrækkeligt, den globale økonomiske vækst.

“Den reelle benchmark er, om verden vokser med 10 %” mere end nogen andre målinger.”

Satya Nadella – Microsoft CEO

Kryptografi & Forsvar

Kvantecomputere har potentialet til at bryde næsten alle de i dag anvendte krypteringsmetoder, herunder militær kommunikation, atomvåbenkoder, bankoverførsler osv.

Derfor er det naturligvis et absolut kritisk spørgsmål for den amerikanske regering (og alle andre store magter), at ikke blive overrasket af fremskridt inden for kvantecomputing.

Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) har udvalgt Microsoft som en af to virksomheder til at gå videre til den sidste fase af deres strenge benchmarkprogram kendt som Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC), (den anden virksomhed er fotonisk kvantecomputing PsiQuantum).

US2QC samlede eksperter fra DARPA, Air Force Research Laboratory, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Los Alamos National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory og NASA Ames Research Center.

Kvantecomputing og Majorana‑partikelvirksomhed

Microsoft

Mens Microsoft er mest kendt for sin meget stærke tilstedeværelse i operativsystemer med Windows, er det også en kæmpe spiller inden for mange andre teknologiske felter.

For eksempel er det førende inden for forretningsløsninger, herunder Office (Outlook, Word, Excel og PowerPoint), men også virksomhedssamtaler (Teams), cloud‑delte lagring (OneDrive), Visio (diagrammer, grafer), Loop (samarbejdsområde) og Access (database).

Selvom det ikke er førende inden for cloud‑tjenester (domineret af Amazons AWS), udgør Microsoft 20 % af den globale cloud‑infrastruktur gennem sin Azure‑platform, så stort som de samlede andele af Google + Alibaba + Oracle.

Kilde: Statista

Microsoft ejer også LinkedIn, GitHub, Xbox og mange af verdens største videospilstudier.

Kilde: Microsoft

Når det kommer til AI, har Microsoft fokuseret mere på tekniske anvendelsestilfælde og forretningsapplikationer end forbruger‑apps, især med AI4Science‑programmet, på AI’er nyttige til videnskabelig forskning.

Dette inkluderer f.eks. at fremskynde arbejdet for materialeforskere med at designe nye molekyler eller batterielektroder ved at lade en AI indsnævre 32 millioner potentielle materialer til 500 000 kandidater og derefter til 800 på under 80 timer.

Kilde: Microsoft

Virksomheder som Unilever bruger allerede denne “Generative Chemistry” til at fremskynde deres videnskabelige opdagelser.

Indtil nu, når det kom til kvantecomputing, syntes Microsoft at ligge bag Google eller IBM; det tilbød kvantecomputing‑cloud‑tjenester med Azure Quantum. Tjenesten kan også tilbyde “hybrid computing”, som blander kvantecomputing med traditionel cloud‑baseret supercomputer‑service.

Kilde: Microsoft

Nu hvor den banebrydende hardware, der udnytter Majorana‑partikler, er afsløret, ændrer det fuldstændigt virksomhedens faktiske position.

Længe fra at ligge bagud, var det blot at finpudse sin store meddelelse og opbygge softwaren og brugssagerne, som dens industrielle kunder vil bruge med sine skalerbare kvantecomputere.

Dette er en radikal afvigelse fra en virksomhed, der primært har fokuseret på software frem for hardware, med undtagelse af Xbox‑konsollen.

Og en, der kan vise sig at være ekstremt profitabel, hvis det viser sig, at Majorana‑partiklen er nøglen til skalerbare og ultra‑kraftfulde million‑qubit‑kvantecomputere, hvilket giver ekstra vækst til en allerede massiv virksomhed.

Du kan også læse vores artikel, der sætter spotlight på Microsoft som helhed i mere detaljeret form, ud over kvantecomputing, for bedre at forstå virksomheden.

Studierreferencer:

^{1. Microsoft Azure Quantum., Aghaee, M., Alcaraz Ramirez, A. et al. (2025) Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices. Nature 638, 651–655. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08445-2}