Microsoft bedenkt een nieuwe materietoestand voor Majorana‑1 quantumcomputerchip

Nieuwe materietoestand om quantumcomputer op te schalen

Het zijn de afgelopen maanden een bewogen periode geweest voor de vooruitgang in quantumcomputing en de bedrijven die we behandelden in “5 beste quantumcomputingbedrijven van 2025”.

Het begon met Google’s Willow in december 2024, misschien de eerste schaalbare quantumchip ooit. Daarna volgde het nieuws over de eerste gedistribueerde quantumcomputing via een optische netwerkverbinding, waardoor quantumcomputers net als gewone computers in dedicated servers kunnen worden gekoppeld.

Nu is het de beurt aan Microsoft (MSFT ) om een grote indruk te maken met de presentatie van Majorana 1, een chip die een geheel nieuwe materietoestand gebruikt om quantumcomputing uit te voeren: topoconductors.

Microsoft beweert dat topoconductors betrouwbaardere en schaalbare qubits kunnen produceren, de bouwstenen voor quantumcomputers.

Dit geheel nieuwe pad voor quantumcomputing verandert radicaal hoe Microsoft haar toekomstige quantumcomputers wil bouwen, met “een duidelijke weg om een miljoen qubits op één enkele chip te passen die in de palm van de hand past”.

Wat zijn topoconductors?

Het lijkt erop dat de oorsprong van de doorbraak voortkomt uit een nieuwe benadering, waarbij men een transistor voor quantumcomputing probeert te creëren, die verder gaat dan wat tot nu toe is gedaan.

“We namen een stap terug en zeiden ‘OK, laten we de transistor voor het quantumtijdperk uitvinden. Welke eigenschappen moet die hebben?

En dat is echt hoe we hier zijn gekomen – het is de specifieke combinatie, de kwaliteit en de belangrijke details in onze nieuwe materiaallagen die een nieuw type qubit hebben mogelijk gemaakt en uiteindelijk onze hele architectuur.”

Chetan Nayak, Microsoft technical fellow
Topologische supergeleiders, beschreven in het bijbehorende artikel gepubliceerd in Nature¹, onder de titel “Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices“, vormen een materietoestand die verschilt van de meer bekende vaste, vloeibare of gasvormige toestanden, of zelfs de meer exotische zoals plasma of Bose‑Einstein‑condensaat.

De topologische toestand werd tot nu toe alleen theoretisch voorspeld, voor het eerst door Ettore Majorana (1906‑1938), maar plots lijkt het niet alleen waarneembaar maar zelfs controleerbaar te zijn. Dit Majorana‑deeltje (ook wel Majorana‑fermion genoemd), een deeltje dat zijn eigen antideeltje is, werd voor het eerst in 2024 door de onderzoekers van Microsoft waargenomen.

Majorana‑deeltjes lijken op een bepaalde manier op elektronen en zouden kunnen worden gebruikt om kwantumdata te behouden die nuttig zijn voor quantumcomputatie.

Dit was zeker geen succes van de ene op de andere dag en blijkt het resultaat te zijn van meer dan 17 jaar onderzoek, het langstlopende onderzoeksproject van Microsoft, en tot nu toe een zeer goed bewaard geheim.

Om het te vereenvoudigen (heel erg), is een topoconductor een halfgeleider die sommige van zijn eigenschappen op atomair en subatomair niveau deelt met supergeleidermaterialen.

Bron: Microsoft

Dit werd bereikt door in een draad indiumarsenide (een halfgeleider) en aluminium (een supergeleider) te combineren.

Bron: Physical Review

Wanneer ze worden gekoeld tot bijna het absolute nulpunt en afgestemd met magnetische velden, vormen deze apparaten topologische supergeleidende nanodraden, die zogenaamde Majorana Zero Modes (MZMs) aan de uiteinden van de draden bevatten.

Bron: Microsoft

Ultra‑stabiele kwantumtoestand

In een “normale” supergeleider kan elk ongepaard elektron worden gedetecteerd omdat de aanwezigheid ervan extra energie vereist. Dit maakt de meting eenvoudig, maar maakt het ook zeer gevoelig voor ruis en verstoringen vanuit de omgeving, waardoor elke kwantumberekening moeilijk wordt.

MZMs zijn radicaal anders, omdat een ongepaard elektron wordt gedeeld tussen een paar MZMs, waardoor het onzichtbaar is voor de omgeving. Deze unieke eigenschap van Majorana‑deeltjes beschermt de kwantuminformatie, waardoor deze ultra‑stabiel en betrouwbaar is.

Onzichtbare elektronen

Natuurlijk, hoewel dit ideaal is voor het behouden van de kwantumtoestand in een stabiele en bruikbare conditie, maakt het elke daadwerkelijke meting ervan extreem moeilijk, vandaar dat Majorana‑deeltjes tot een eeuw theoretisch waren tot zeer recent.

Hoewel dit onze topoconductors ideale kandidaten voor qubits maakt, brengt het ook een uitdaging met zich mee: Hoe lezen we kwantuminformatie die zo goed verborgen is? Hoe kunnen we bijvoorbeeld 1.000.000.000 en 1.000.000.001 elektronen van elkaar onderscheiden?

Microsoft’s oplossing voor het probleem maakte gebruik van quantumdots, een uniek materiaal waar we uitgebreid over spraken in “Investeren in Nobelprijsprestaties – Quantumdots & Nanokleuren“. Het kan worden beschreven als een klein halfgeleiderapparaat dat elektrische lading kan opslaan.

De quantumdot wordt aan het uiteinde van de topologische nanodraad geplaatst. Deze verbinding vergroot het vermogen van de dot om lading vast te houden. Cruciaal is dat de exacte toename afhangt van de pariteit van de nanodraad.

Bron: Microsoft

Dus, door de toestand van de quantumdots te meten, een goed begrepen proces met behulp van microgolven, kan het systeem ook de anders onzichtbare kwantumtoestand van het Majorana‑deeltje meten.

Bron: Nature

Niet alleen is de meting mogelijk, maar hij is ook extreem betrouwbaar, zelfs met een eerste prototype, voordat verdere optimalisatie is uitgevoerd.

We hebben onze apparaten zo ontworpen dat deze veranderingen groot genoeg zijn om betrouwbaar in één enkele meting te meten. Onze eerste metingen hadden een foutkans van 1%, en we hebben duidelijke paden geïdentificeerd om dit aanzienlijk te verminderen.

Ultra‑betrouwbare qubits

Het verandert volledig de benadering van kwantumtoestandsmeting die in quantumcomputing wordt gebruikt.

Tot nu toe vereiste dit de rotatie van kwantumtoestanden door precieze hoeken, wat complexe analoge besturingssignalen vereist die voor elke qubit op maat zijn gemaakt. Het maakte foutcorrectie, die dezelfde methode gebruikte, extreem complex, duur en over het algemeen minder betrouwbaar.

In plaats daarvan kan de door Microsoft ontdekte methode fouten eenvoudig corrigeren door quantumdots aan te sluiten en los te koppelen van de nanodraden, met behulp van een digitale puls.

Bron: Microsoft

Als je geïnteresseerd bent, kun je meer leren over de details van hoe topoconductors zijn ontwikkeld in dit lange interview met Dr. Chetan Nayak, de leider achter dit Microsoft‑project.

Inherente schaalbare architectuur

Doordat het systeem zo veel eenvoudiger is qua engineering, zij het niet qua deeltjesfysica, en bovendien betrouwbaarder en stabieler, is het van nature makkelijker op te schalen.

Het basiselement zou een “tetron” zijn, bestaande uit 2 nanodraden, 4 MZM en 4 quantumdots, waardoor een 2‑qubit apparaat ontstaat.

Wanneer gekoppeld aan een andere, kan het een basis twee‑qubit apparaat vormen dat een methode ondersteunt die in quantumcomputatie wordt gebruikt, genaamd “meting‑gebaseerde verstrengelingstransformaties“.

Een 4×2‑array van tetrons zou foutdetectie kunnen uitvoeren op twee logische qubits.

Bron: Microsoft

Dit blok kan vervolgens tientallen, honderden, of uiteindelijk duizenden of miljoenen keren worden gerepliceerd om een enorme quantumcomputer te bouwen, veel groter dan alles wat tot nu toe werd voorgesteld.

Het is misschien niet verrassend dat quantumcomputatie ons zou dwingen een nieuwe materietoestand te ontwerpen die specifiek is ontworpen om het mogelijk te maken.

Wat opmerkelijk is, is hoe nauwkeurig onze uitleestechniek al is, wat aantoont dat we deze exotische materietoestand benutten voor quantumcomputatie.

Ten slotte is het belangrijkste aspect dat deze technologie bijzonder schaalbaar maakt, hoe klein de fysieke componenten zijn. Als gevolg hiervan kunnen meer dan een miljoen fysieke qubits in een kleine chip worden geplaatst die in de hand past.

Bron: Microsoft

Verdere verbetering

Zoals uitgelegd, kan zelfs de foutkans van 1% bij de meting van de quantumdots en MZM verder worden verlaagd. De onderzoekers van Microsoft zien al een manier om dit te doen.

Omdat fouten in de berekening zich opstapelen, zou een vermindering van de foutkans met een factor 10 de uiteindelijke bruikbare rekenpotentie veel meer kunnen vergroten.

Een ander aspect dat kan worden verbeterd, is de algehele stabiliteit van de kwantumtoestand van de Majorana‑deeltjes.

“Externe energie—zoals elektromagnetische straling—kan Cooper‑paren breken, waardoor ongepaarde elektronen ontstaan die de toestand van de qubit van even naar oneven pariteit kunnen schakelen. Onze resultaten tonen echter aan dat dit zeldzaam is, gemiddeld slechts één keer per milliseconde.”

Aangezien het door Microsoft ontwikkelde systeem indrukwekkende stabiliteit heeft aangetoond, wijst dit erop dat de afscherming al goed werkt. Er zijn echter waarschijnlijk meer manieren om interferentie verder te verminderen, die al in onderzoek zijn.

Versnelling van de quantumcomputingrevolutie

De volgende stap voor Microsoft is het bouwen van de 4×2‑tetron‑array voorbij het eerste prototype en deze op schaal te testen.

En vervolgens de volledige acht‑qubit array te gebruiken om quantumfoutdetectie (QEC) op twee logische qubits uit te voeren.

Omdat de topologische qubits ingebouwde foutbescherming hebben, vereenvoudigt dit QEC enorm. Bovendien beweert Microsoft dat haar aangepaste QEC‑codes de overhead ongeveer 10× verminderen ten opzichte van de vorige state‑of‑the‑art‑aanpak.

Dus niet alleen zijn Majorana‑gebaseerde qubits betrouwbaarder, ze kunnen ook sneller werken en vereisen minder fysieke qubits om één logisch qubit te produceren.

(logische qubits zijn de bruikbare meeteenheden voor praktische toepassingen, net zoals een processor wordt gemeten in bewerkingen per seconde en niet alleen naar het aantal transistors dat hij bevat)

“We geloven dat deze doorbraak ons in staat zal stellen een echt betekenisvolle quantumcomputer te creëren, niet in decennia, zoals sommigen hebben voorspeld, maar in jaren.”

Satya Nadella – Microsoft CEO

Toepassingen

Wetenschap

Microsoft’s communicatie over Majorana 1 richt zich voornamelijk op de wetenschappelijke resultaten die het kan opleveren, vooral in de biologie en materiaalkunde.

Dit zijn zeer belangrijke gebieden voor quantumcomputing, aangezien van eiwitvouwing tot complexe materialen voor batterijen, de berekening van hun gedrag op atomair niveau extreem rekenintensief is en de huidige supercomputers tot het uiterste drijft.

Schaalbare quantumcomputers zouden in staat zijn deze problemen miljoenen of zelfs triljoenen keren efficiënter te simuleren, wat waarschijnlijk een enorme stroom van nieuwe ontdekkingen mogelijk maakt.

Dit zal niet alleen gebeuren door het uitvoeren van voorheen onmogelijke berekeningen, maar ook door miljarden dollars te besparen op uitgebreide experimentele zoektochten en laboratoriumexperimenten.

• Zelfherstellende materialen die scheuren in bruggen repareren.
• Duurzame landbouw.
• Veiligere chemische ontdekking.

In een één uur durend interview legde de CEO van Microsoft zelfs uit dat volgens hem de manier om te zien of quantumcomputing en AI adequaat presteren, wereldwijde economische groei is.

“De echte maatstaf is of de wereld met 10 % groeit, meer dan welke andere metriek dan ook.”

Satya Nadella – Microsoft CEO

Cryptografie & Defensie

Quantumcomputers hebben het potentieel om bijna alle momenteel gebruikte encryptiemethoden te breken, inclusief voor militaire communicatie, nucleaire codes, bankoverschrijvingen, enz.

Daarom is het uiteraard een absoluut cruciale vraag voor de Amerikaanse regering (en alle andere grootmachten) om niet overrompeld te worden door de vooruitgang in quantumcomputing.

The Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) heeft Microsoft geselecteerd als een van de twee bedrijven die doorgaan naar de laatste fase van hun rigoureuze benchmarkprogramma, bekend als Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC) (het andere bedrijf is photonic quantum computing PsiQuantum).

US2QC bracht experts samen van DARPA, Air Force Research Laboratory, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Los Alamos National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory en NASA Ames Research Center.

Quantumcomputing en Majorana‑deeltjebedrijf

Microsoft

Hoewel Microsoft vooral bekend staat om zijn zeer sterke aanwezigheid in besturingssystemen met Windows, is het ook een reus in vele andere technologische gebieden.

Zo is het de leider in bedrijfsoplossingen, waaronder Office (Outlook, Word, Excel en PowerPoint), maar ook bedrijfscommunicatie (Teams), cloud‑gedeelde opslag (OneDrive), Visio (diagrammen, grafieken), Loop (samenwerkende werkruimte) en Access (database).

Hoewel het niet de leider is in clouddiensten (gedomineerd door Amazon’s AWS), levert Microsoft 20 % van de wereldwijde cloudinfrastructuur via zijn Azure‑platform, zo groot als de gecombineerde aandelen van Google + Alibaba + Oracle.

Bron: Statista

Microsoft is ook eigenaar van LinkedIn, GitHub, Xbox en vele van ‘s werelds grootste videogame‑studio’s.

Bron: Microsoft

Als het gaat om AI, heeft Microsoft zich meer gericht op technische use‑cases en zakelijke toepassingen dan op consumententoepassingen, met name met het AI4Science‑programma, gericht op AI’s die nuttig zijn voor wetenschappelijk onderzoek.

Dit omvat bijvoorbeeld het versnellen van het werk van materiaalkundigen om nieuwe moleculen of batterij‑elektroden te ontwerpen door een AI die 32 miljoen potentiële materialen terugbrengt tot 500.000 kandidaten, en vervolgens tot 800 in minder dan 80 uur.

Bron: Microsoft

Bedrijven zoals Unilever gebruiken deze “Generative Chemistry” al om hun wetenschappelijke ontdekkingen te versnellen.

Tot nu toe leek Microsoft, wat quantumcomputing betreft, achter te blijven bij Google of IBM; het bood quantumcomputing‑cloudservices aan met Azure Quantum. De dienst kan ook hybride computing aanbieden, waarbij quantumcomputing wordt gemengd met traditionele cloud‑gebaseerde supercomputer‑service.

Bron: Microsoft

Nu de baanbrekende hardware die gebruikmaakt van Majorana‑deeltjes is onthuld, verandert dit de feitelijke positie van het bedrijf volledig.

Verre van achter te blijven, was het simpelweg haar grote aankondiging aan het verfijnen en de software en use‑cases op te bouwen die haar industriële klanten zullen gebruiken met haar schaalbare quantumcomputers.

Dit is een radicale afwijking van een bedrijf dat zich voornamelijk op software richt in plaats van hardware, met uitzondering van de Xbox‑console.

En één die zich als extreem winstgevend kan bewijzen als blijkt dat het Majorana‑deeltje de sleutel is tot schaalbare en ultra‑krachtige quantumcomputers met miljoenen qubits, wat extra groei oplevert voor een al enorm bedrijf.

(U kunt ook lezen ons artikel dat Microsoft als geheel in meer detail belicht, buiten quantum computing, om beter het bedrijf te begrijpen).

Studieverwijzing:

^{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}