Microsoft Kehittää Uuden Olomuodon Majorana-1 Kvanti-Tietokonepiirille

Uusi Olomuoto Kvanti-Tietokoneen Mittaamiseen

On ollut tapahtumarikas muutama kuukausi edistystä kvanttilaskennassa ja yrityksissä, joista kerroimme “5 Parasta Kvanti-Tietokoneyritystä 2025“.

Se alkoi Google’n Willow joulukuussa 2024, ehkä ensimmäinen skaalautuva kvanttipiiri. Seurasi uutinen ensimmäisestä hajautetusta kvanttilaskennasta optisen verkkoyhteyden kautta, avaen tien kvanttitietokoneiden verkottamiselle omilla palvelimillaan.

Nyt on Microsoftin vuoro tehdä suuri loikka esittämällä Majorana 1, piiri joka käyttää täysin uutta olomuotoa kvanttilaskentaan: topojohteet.

Microsoft väittää, että topojohteet voivat tuottaa luotettavampia ja skaalautuvampia kvantti-bittijonoja, kvanttitietokoneiden perusrakennusosia.

Tämä täysin uusi polku kvanttilaskentaan muuttaa radikaalisti, miten Microsoft aikoo rakentaa tulevaisuuden kvanttitietokoneitaan, “selkeä polku mahtaa sovittaa miljoona kvantti-bittijonoa yhdelle piirille, joka mahtuu kämmeneen”.

Mitä Topojohteet Ovata?

Näyttää siltä, että läpimurto johtuu uudesta lähestymistavasta, jossa luodaan transistori kvanttilaskentaan, menemällä siitä, mitä on tehty tähän asti.

“Me otimme askeleen taakse ja sanoin ’OK, keksimme transistorin kvantti-ajan. Mitkä ominaisuudet sille on tarve?”

Ja tämä on todella se, miten päädyimme tähän – se on tietty yhdistelmä, laatu ja tärkeät yksityiskohdat uudessa materiaalipinossa, jotka ovat mahdollistaneet uudenlaisen kvantti-bittijonon ja lopulta koko arkkitehtuurimme.”

Topologiset suprajohteet, kuvattu vastaavassa Nature-lehden artikkelissa¹, otsikolla “Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices“, ovat olomuoto, joka poikkeaa tutumasta olomuodosta, kuten kiinteä, neste, kaasu tai jopa eksoottisemmat kuten plasma tai Bose-Einsteinin kondensaatti.

Topologinen tila oli teoreettinen, kunnes Microsoftin tutkijat havaitsivat sen ensimmäisen kerran vuonna 2024.

Tämä Majorana-hiukkanen (myös kutsutaan Majorana-fermioniksi), hiukkanen joka on itsensä antihiukkanen, voisi olla hyödyllinen kvanttitietokoneissa.

Tämä ei ollut lainkaan yön ja päivän saavutus, vaan se on ollut tulosta yli 17 vuoden tutkimuksesta, Microsoftin pitkäaikaisin tutkimushanke, ja tähän asti hyvin salattu.

Yksinkertaistaen (paljon), topojohteen on puolijohteen ja suprajohteen yhdistelmä.

Source: Microsoft

Tapa, jolla tämä saavutettiin, on yhdistämällä yhteen johtimessa indiumarsenidi (puolijohteen) ja alumiini (suprajohteen).

Source: Physical Review

Kun laite jäähtyy lähes absoluuttiseen nollapisteeseen ja säätää magneettikentillä, nämä laitteet muodostavat topologiset suprajohtavat nanolangat, jotka sisältävät niin kutsutut Majorana-nollatilat (MZM) langan päissä.

Source: Microsoft

Ultra-Stabiili Kvanttitila

Normaaleissa suprajohteissa jokainen parittamaton elektroninen voidaan havaita, koska sen läsnäolo vaatii ylimääräistä energiaa. Tämä tekee mittauksen helppoksi, mutta myös herkkäksi häiriöille ja ympäristön muutoksille, mikä tekee kvanttilaskennan vaikeaksi.

MZM:t ovat radikaalisti erilaisia, koska parittamaton elektroninen jaetaan MZM-parin välillä, mikä tekee sen näkymättömäksi ympäristölle. Tämä Majorana-hiukkasen ainutlaatuinen ominaisuus suojaa kvanttitietoa, tehdessään siitä ultra-stabiilin ja luotettavan.

Näkymättömät Elektronit

Totta kai, vaikka tämä on ihanteellista kvanttitilan säilyttämiseksi stabiilissa ja hyödyllisessä tilassa, se tekee myös itse mittauksen äärimmäisen vaikeaksi, miksi Majorana-hiukkaset ovat olleet teoreettisia yli sadan vuoden ajan, kunnes äskettäin.

While this makes our topoconductors ideal candidates for qubits, it also presents a challenge: How do we read quantum information that is so well hidden? How can we distinguish between, say, 1,000,000,000 and 1,000,000,001 electrons?

Microsoftin ratkaisu tähän ongelmaan hyödyntää kvanttipistettä, ainutlaatuista puolijohdemateriaalia, josta olemme keskustelleet aiemmin “Sijoittaminen Nobel-palkinnon saavuttaneisiin – Kvanttipisteet ja Nanovärit“.

Kvanttipiste asetetaan topologisen nanolangAN päähän. Tämä yhteys lisää pisteen kykyä varastoida sähkövarausta. Olennaisesti, tarkka lisäys riippuu nanolangAN pariteetista.

Source: Microsoft

Niin, mitatessamme kvanttipisteen tilaa, järjestelmä voi myös mitata muuten näkymätöntä kvanttitilaa Majorana-hiukkasella.

Source: Nature

Mittaaminen ei ole vain mahdollista, vaan se on myös äärimmäisen luotettavaa, jopa ensimmäisellä prototyypillä, ennen kuin mitään optimointia tehdään.

We designed our devices so these changes are large enough to measure reliably in a single shot. Our initial measurements had an error probability of 1%, and we’ve identified clear paths to significantly reduce this.

Ultra-Luotettavat Kvantti-Bittijonot

Se muuttaa täysin lähestymistapaa kvanttitilan mittaukseen, jota käytetään kvanttilaskennassa.

Tähän asti se on vaatinut kvanttitilojen rotaatiota tarkoilla kulmilla, vaaditen monimutkaisia analogisia ohjaussignaaleja, jotka on räätälöity kullekin kvantti-bittijonolle. Se tekee virheenkorjauksen, joka riippuu samasta menetelmästä, äärimmäisen monimutkaiseksi, kalliiksi ja vähemmän luotettavaksi.

Sen sijaan Microsoftin kehittämä menetelmä voi yksinkertaisesti korjata virheitä yhdistämällä ja irrottaa kvanttipisteitä nanolangoista, käyttäen digitaalista pulsaatiota.

Source: Microsoft

Jos olet kiinnostunut, voit lukea lisää topojohtimien kehittämisestä tästä pitkästä haastattelusta Tohtori Chetan Nayak, Microsoftin projektin johtaja.

Lähes Skaalautuva Arkkitehtuuri

Koska järjestelmä on paljon yksinkertaisempi insinöörien kannalta, ja myös luotettavampi ja stabiilimpi, se on luonnostaan helpompi skaalata.

Peruskomponentti olisi “tetron”, joka koostuu 2 nanolangasta, 4 MZM:stä ja 4 kvanttipisteestä, muodostaen 2-kvantti-bittijonon laitteen.

Kun yhdistetään toiseen, se voi muodostaa perustavanlaatuisen 2-kvantti-bittijonon laitteen, joka tukee kvanttilaskennassa käytettävää menetelmää nimeltä “mittaamisperusteiset braidaukset“.

4×2 tetronien matriisi voisi suorittaa virheen havainnon kahdella loogisella kvantti-bittijonolla.

Source: Microsoft

Tämä lohko voidaan sitten toistaa kymmenissä, satoissa tai lopulta tuhansissa tai miljoonissa kappaleissa, jotta voidaan rakentaa massiivinen kvanttitietokone, paljon suurempi kuin mitä on aiemmin kuviteltu.

It’s perhaps not surprising that quantum computation would require us to engineer a new state of matter specifically designed to enable it.

What’s remarkable is how accurate our readout technique already is, demonstrating that we are harnessing this exotic state of matter for quantum computation.

Voit nähdä, miten Majorana-piiri näyttää tästä renderöinnistä, aloittaen Majorana-hiukkasesta ja päättyen koko piiriin, joka mahtuu kämmeneen.

Lopulta, avainosa, joka tekee tämän teknologian erityisen skaalautuvaksi, on se, miten pienet fyysiset komponentit ovat. Sen seurauksena yli miljoona fyysistä kvantti-bittijonoa voidaan asettaa pienelle piirille, joka mahtuu kämmeneen.

Source: Microsoft

Lisäparannukset

Kuten selitetty, jopa 1% virheen todennäköisyys kvanttipisteen ja MZM:n mittauksessa voidaan laskea edelleen. Microsoftin tutkijat ovat jo nähneet tavan tehdä se.

Koska laskennan virheet kasaantuvat toisiinsa, virheen todennäköisyyden laskeminen 10-kertaisesti voi lisätä lopputuloksen hyödyllisen laskennan potentiaalia paljon enemmän.

Toinen asia, jota voidaan parantaa, on Majorana-hiukkasten kvanttitilan kokonainen stabiilisuus.

“External energy—such as electromagnetic radiation—can break Cooper pairs, creating unpaired electrons that can flip the qubit’s state from even to odd parity. However, our results show that this is rare, occurring only once per millisecond on average.”

Koska Microsoftin kehittämä järjestelmä on osoittanut vaikuttavan stabiilisuuden, se osoittaa, että suojaus tekee jo hyvää työtä. Kuitenkin on todennäköisesti enemmän keinoja vähentää häiriöitä, joita tutkitaan jo.

Kiihdyttämällä Kvanttilaskennan Vallankumousta

Seuraava askel Microsoftille on rakentaa 4×2 tetroni-matriisi alkuaineen prototyypin ulkopuolelle ja testata sitä skaalassa.

Ja sitten käyttää koko kahdeksan kvantti-bittijonon matriisia kvanttivirheenkorjausta kahdella loogisella kvantti-bittijonolla.

Koska topologiset kvantti-bittijonot ovat sisäänrakennetulla virheensuojauksella, se yksinkertaistaa virheenkorjausta suuresti. Lisäksi Microsoft väittää, että heidän mukautetut virheenkorjauskoodinsa laskevat kuormituksen noin 10-kertaisesti verrattuna aiempaan huipputasoon .

Eli ei vain Majorana-pohjaiset kvantti-bittijonot ole luotettavampia, vaan ne voivat myös toimia nopeammin ja vaatia vähemmän fyysisiä kvantti-bittijonoja yhden loogisen kvantti-bittijonon tuottamiseen.

(loogiset kvantti-bittijonot ovat hyödyllisiä mittayksiköitä käytännön sovelluksissa, samoin kuin prosessori mitataan operaatioina sekunnissa eikä pelkästään transistoreiden määrällä)

“We believe this breakthrough will allow us to create a truly meaningful quantum computer not in decades, as some have predicted, but in years.”

Satya Nadella – Microsoftin toimitusjohtaja

Sovellukset

Tiede

Microsoftin viestintä Majorana 1:stä keskittyy ennen kaikkea tieteellisiin tuloksiin, erityisesti biologiassa ja materiaalitieteissä.

Nämä ovat erittäin tärkeitä aloja kvanttilaskennalle, koska proteiinien laskemisesta monimutkaisten materiaalien laskemiseen, laskenta niiden käyttäytymisestä atomitasolla on äärimmäisen vaativaa laskennallisesti, työntäen nykyiset supertietokoneet äärimmäisyyteen.

Skaalautuvat kvanttitietokoneet voisivat simuloida nämä ongelmat miljoonia tai jopa biljoonia kertoja tehokkaammin, mahdollistaen valtavan virtauksen uusia löytöjä.

Tämä voidaan tehdä ei vain suorittamalla aiemmin mahdottomia laskelmia, vaan myös välttämällä miljardeja dollareita tyhjentävistä kokeellisista etsinnöistä ja laboratoriotutkimuksista.

Joukossa loputtomia mahdollisuuksia, muutamia mainittiin Microsoftilla:

• Itsekorjaavat materiaalit, jotka korjaavat halkeamia silloilla.
• Kestävä maatalous.
• Turvallinen kemikaalilöytö.

Tunnissa kestävässä haastattelussa Microsoftin toimitusjohtaja selitti, että hänen mielestään tapa arvioida kvanttilaskennan ja tekoälyn suorituskykyä on maailmanlaajuinen talouskasvu.

“The real benchmark is if the world is growing at 10%” more than any other metrics.”

Satya Nadella – Microsoftin toimitusjohtaja
https://www.youtube.com/watch?v=4GLSzuYXh6w

Salaus ja Puolustus

Kvanttitietokoneet voivat murtaa lähes kaikki nykyään käytössä olevat salausmenetelmät, mukaan lukien sotilaskommunikaatiot, ydinohjelmat, pankkisiirrot jne.

On siis äärimmäisen tärkeää, että Yhdysvaltain hallitus (ja muut suurvaltat) eivät jää jälkeen kvanttilaskennan edistymisessä.

Puolustusalan Tutkimus- ja Kehittämishallinto (DARPA) on valinnut Microsoftin yhdeksi kahdesta yrityksestä, jotka etenevät Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC) -ohjelman lopulliseen vaiheeseen, (toinen yritys on valokennokvanttilaskenta PsiQuantum).

US2QC kokoaa asiantuntijat DARPA:sta, ilmavoimien tutkimuslaboratoriosta, Johns Hopkinsin yliopiston soveltavan fysiikan laboratoriosta, Los Alamosin kansallisen laboratorion, Oak Ridgen kansallisen laboratorion ja NASA Ames -tutkimuskeskuksesta.

Kvanttilaskenta ja Majorana-hiukkanen Yritys

Microsoft

Vaikka Microsoft on parhaiten tunnettu vahvasta läsnäolostaan käyttöjärjestelmissä Windowsilla, se on myös jättiläinen monilla muilla teknologia-aloilla.

Esimerkiksi se on johtaja liiketoimintaratkaisuissa, mukaan lukien Office (Outlook, Word, Excel ja PowerPoint), sekä yritysten väliset puhelut (Teams), pilvipohjainen tallennus (OneDrive), Visio (kaaviot, taulukot), Loop (yhteistyötila) ja Access (tietokanta).

Vaikka se ei ole johtaja pilvipalveluissa (johtaa Amazonin AWS), Microsoft muodostaa 20%:n osuuden maailmanlaajuisesta pilvirakenteesta Azure-pohjaisella alustalla, yhtä suuren kuin Google + Alibaba + Oracle yhteensä.

Source: Statista

Microsoft on myös LinkedInin, GitHubin, Xboxin ja useiden maailman suurimpien videopelien kehittäjien omistaja.

Source: Microsoft

Kun on kyse tekoälystä, Microsoft on keskittynyt enemmän teknisiin sovelluksiin ja liiketoimintasovelluksiin kuin kuluttajasovelluksiin, erityisesti AI4Science-ohjelmalla, joka on tekoälyä tieteelliseen tutkimukseen.

Tämä sisältää esimerkiksi nopeuttamalla materiaalitieteilijöiden työtä suunnittelemaan uusia molekyylejä tai paristojen elektrodeja, jolloin tekoäly voi karsia 32 miljoonasta potentiaalisesta materiaalista 500 000 ehdokkaaseen ja sitten 800:aan alle 80 tunnissa.

Source: Microsoft

Yritykset kuten Unilever käyttävät jo tätä “Generative Chemistry” -tekniikkaa nopeuttaakseen tieteellisiä löytöjään.

Tähän asti, kun on kyse kvanttilaskennasta, Microsoft on näyttänyt jäävän jälkeen Googleen tai IBM:hen verrattuna; se on tarjonnut kvanttilaskennan pilvipalveluita Azure Quantum -palvelun kautta. Palvelu voi myös tarjota “hybridi-laskenta”, joka yhdistää kvanttilaskennan perinteiseen pilvipohjaiseen supertietokonepalveluun.

Source: Microsoft

Nyt, kun mullistava Majorana-piiri on paljastettu, se muuttaa täysin yrityksen aseman.

Kaukana jäämisen sijaan, se oli vain hiomassa suurta ilmoitustaan, ja rakentamassa ohjelmistoja ja sovelluksia, joita sen teolliset asiakkaat käyttävät skaalautuvissa kvanttitietokoneissaan.

Tämä on radikaali poikkeama yrityksestä, joka on pääasiassa keskittynyt ohjelmistoihin, lukuun ottamatta Xbox-konsolia.

Ja se, joka voi osoittautua äärimmäisen voitolliseksi, jos osoittautuu, että Majorana-hiukkanen on avain skaalautuviin, voimakkaisiin miljoonien kvantti-bittijonon kvanttitietokoneisiin, tarjoamalla ylimääräistä kasvua jo valtavalle yritykselle.

(Voit myös lukea artikkelimme, joka valaisee Microsoftia yksityiskohtaisemmin, kvanttilaskennan ulkopuolella, jotta ymmärtäisit paremmin yrityksen).

Tutkimuksen Viite:

^{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}