Microsoft oppfinner en ny tilstand av materie for Majorana-1 kvanteberegningsbrikke

Ny tilstand av materie for å skalere kvantedatamaskin

Det har vært noen begivenhetsrike måneder for fremgang innen kvantedatabehandling og selskapene vi dekket i “5 beste kvantedatabehandlingsselskaper i 2025”.

Det startet med Googles Willow i desember 2024, muligens den første skalerbare kvantebrikken. Deretter fulgte nyheten om det første distribuerte kvantedatabehandlingssystemet over en optisk nettverkskobling, som åpnet veien for at kvantedatamaskiner kan nettverkes som vanlige i dedikerte servere.

Nå er det Microsofts tur til å gjøre et stort innslag med presentasjonen av Majorana 1, en brikke som bruker en helt ny tilstand av materie for å utføre kvantedatabehandling: topokonduktorer.

Microsoft (MSFT ) hevder at topokonduktorer kan produsere mer pålitelige og skalerbare qubits, byggesteinene for kvantedatamaskiner.

Denne helt nye veien for kvantedatabehandling endrer radikalt hvordan Microsoft har tenkt å bygge sine fremtidige kvantedatamaskiner, med “en klar vei til å få en million qubits på en enkelt brikke som kan passe i håndflaten.”

Hva er topokonduktorer?

Det ser ut til at gjennombruddet stammer fra en ny tilnærming, der man ser på å lage en transistor dedikert til kvantedatabehandling, og går utover det som er gjort hittil.

«Vi tok et steg tilbake og sa ‘OK, la oss finne på transistoren for den kvantemessige æraen. Hvilke egenskaper må den ha?»

Og det er egentlig slik vi kom hit – det er den spesielle kombinasjonen, kvaliteten og de viktige detaljene i vår nye materialstabel som har muliggjort en ny type qubit og til slutt hele vår arkitektur.»

Chetan Nayak, Microsoft teknisk fellow

Topologiske superledere, beskrevet i den tilsvarende artikkelen publisert i Nature¹ under tittelen “Interferometrisk enkel‑skudd paritetsmåling i InAs–Al hybrid‑enheter“, er en tilstand av materie som er forskjellig fra de mer kjente tilstandene fast, væske eller gass, eller til og med de mer eksotiske som plasma eller Bose‑Einstein‑kondensat.

Den topologiske tilstanden ble kun teoretisert frem til nå, først av Ettore Majorana (1906‑1938), men plutselig ser det ut til at den ikke bare er observerbar, men også kontrollerbar. Denne Majorana‑partikkelen (også kalt Majorana‑fermion), en partikkel som er sin egen antipartikkel, ble observert av Microsoft‑forskerne for første gang i 2024.

Majorana‑partikler ligner på elektroner på noen måter og kan brukes til å bevare kvantedata som er nyttige for kvanteberegning.

Dette var på ingen måte en overnaturlig suksess og har tydeligvis vært resultatet av mer enn 17 år med forskning, Microsofts lengst pågående forskningsprosjekt, og frem til nå en svært godt bevart hemmelighet.

For å forenkle ting (veldig mye), er en topokonduktor en halvleder som deler noe av sin oppførsel på atom- og subatomisk nivå med superleder‑materialer.

Kilde: Microsoft

Dette ble oppnådd ved å smelte sammen i en ledning indiumarsenid (en halvleder) og aluminium (en superleder).

Kilde: Physical Review

Når de kjøles ned til nesten absolutt null og justeres med magnetfelt, danner disse enhetene topologiske superledende nanotråder som inneholder såkalte Majorana‑null‑moduser (MZM) i trådens ender.

Kilde: Microsoft

Ultra‑stabil kvantetilstand

I en “normal” superleder kan ethvert ubundet elektron oppdages fordi det krever ekstra energi. Dette gjør målingen enkel, men gjør også elektronet svært sensitivt for støy og forstyrrelser fra omgivelsene, noe som gjør enhver kvanteberegning vanskelig.

MZM‑er er radikalt forskjellige, siden et ubundet elektron deles mellom et par MZM‑er, noe som gjør det usynlig for omgivelsene. Denne unike egenskapen til Majorana‑partikler beskytter den kvantemessige informasjonen, og gjør den ultra‑stabil og pålitelig.

Usynlige elektroner

Selvfølgelig, mens dette er ideelt for å bevare kvantetilstanden i en stabil og nyttig tilstand, gjør det også enhver faktisk måling av den ekstremt vanskelig, derfor har Majorana‑partikler kun vært teoretiske i et århundre inntil nylig.

Selv om dette gjør våre topokonduktorer til ideelle kandidater for qubits, presenterer det også en utfordring: Hvordan leser vi kvanteinformasjon som er så godt skjult? Hvordan kan vi skille mellom for eksempel 1 000 000 000 og 1 000 000 001 elektroner?

Microsofts løsning på problemet utnytter kvante‑dots, et unikt materiale vi diskuterte grundig i “Investering i Nobelpris‑prestasjoner – Kvante‑dots & Nanofarger”. Det kan beskrives som en liten halvleder‑enhet som kan lagre elektrisk ladning.

Kvante‑doten plasseres i enden av den topologiske nanotråden. Denne tilkoblingen øker dotens evne til å holde på ladning. Avgjørende er at den eksakte økningen avhenger av nanotrådens paritet.

Kilde: Microsoft

Ved å måle tilstanden til kvante‑dotene, en velkjent prosess som bruker mikrobølger, kan systemet også måle den ellers usynlige kvantetilstanden til Majorana‑partikkelen.

Kilde: Nature

Ikke bare er målingen mulig, den er også ekstremt pålitelig, selv med en første prototype, før noen videre optimalisering er gjort.

Vi designet enhetene våre slik at disse endringene er store nok til å måles pålitelig i ett enkelt skudd. Våre innledende målinger hadde en feilrate på 1 %, og vi har identifisert klare veier for å redusere dette betydelig.

Ultra‑pålitelige qubits

Det endrer fullstendig tilnærmingen til måling av kvantetilstander som brukes i kvantedatabehandling.

Frem til nå krevde dette rotasjon av kvantetilstander gjennom presise vinkler, noe som krevde komplekse analoge kontrollsignaler tilpasset hver qubit. Det gjorde feilkorreksjon, som baserte seg på samme metode, ekstremt kompleks, kostbar og generelt mindre pålitelig.

I stedet kan metoden som Microsoft oppdaget ganske enkelt korrigere feil ved å koble og frakoble kvante‑dots fra nanotrådene, ved hjelp av et digitalt puls‑signal.

Kilde: Microsoft

Hvis du er interessert, kan du lære mer om detaljene i hvordan topokonduktorer har blitt utviklet i dette lange intervjuet med Dr. Chetan Nayak, lederen bak dette Microsoft‑prosjektet.

Innebygd skalerbar arkitektur

Fordi systemet er så mye enklere i ingeniørmessig forstand, om ikke i partikkelfysikk, og også mer pålitelig og stabilt, er det naturlig lettere å skalere opp.

Den grunnleggende komponenten vil være en “tetron”, laget av 2 nanotråder, 4 MZM og 4 kvante‑dots, som skaper en 2‑qubit‑enhet.

Når den pares med en annen, kan den danne en grunnleggende to‑qubit‑enhet som støtter en metode brukt i kvanteberegning kalt “måle‑baserte flettetransformasjoner”.

Et 4×2‑array av tetrons kunne utføre feil‑deteksjon på to logiske qubits.

Kilde: Microsoft

Denne blokken kan deretter replikeres dusinvis, hundrevis eller til slutt millioner av ganger for å bygge en massiv kvantedatamaskin, mye større enn noe som tidligere er forestilt.

Det er kanskje ikke overraskende at kvanteberegning krever at vi designer en ny tilstand av materie spesielt for å muliggjøre den.

Det bemerkelsesverdige er hvor nøyaktig vår avlesningsteknikk allerede er, og demonstrerer at vi utnytter denne eksotiske tilstanden av materie for kvanteberegning.

Du kan se hvordan Majorana‑brikken ser ut fra denne gjengivelsen, fra Majorana‑partikkelen og helt til hele brikken holdt i en persons hånd.

Til slutt er den viktigste delen som gjør denne teknologien spesielt skalerbar, hvor små de fysiske komponentene er. Som et resultat kan mer enn en million fysiske qubits settes inn i en liten brikke som kan holdes i hånden.

Kilde: Microsoft

Videre forbedring

Som forklart, kan selv 1 % feilrate i målingen av kvante‑dots og MZM reduseres ytterligere. Microsoft‑forskerne ser allerede en måte å gjøre dette på.

Ettersom feil i beregningene forsterker hverandre, kan en 10‑ganger reduksjon i feilraten øke det endelige nyttige beregningspotensialet betydelig.

En annen ting som kan forbedres er den samlede stabiliteten til Majorana‑partiklenes kvantetilstand.

«Ekstern energi – som elektromagnetisk stråling – kan bryte Cooper‑par, og skape ubundne elektroner som kan endre qubit‑ens tilstand fra jevn til odde paritet. Våre resultater viser imidlertid at dette er sjeldent, og forekommer kun én gang per millisekund i gjennomsnitt.»

Ettersom systemet utviklet av Microsoft har vist imponerende stabilitet, indikerer det at skjermingen allerede gjør jobben sin godt. Det finnes imidlertid sannsynligvis flere måter å redusere interferens ytterligere, som også allerede undersøkes.

Akselerering av kvantedatabehandlingsrevolusjonen

Neste steg for Microsoft er å bygge 4×2‑tetron‑arrayen utover den første prototypen og teste den i skala.

Deretter bruke hele åtte‑qubit‑arrayen til å implementere kvante‑feildeteksjon (QEC) på to logiske qubits.

Fordi de topologiske qubitene har innebygd feilbeskyttelse, forenkler det QEC kraftig. I tillegg hevder Microsoft at deres tilpassede QEC‑koder reduserer overhead omtrent 10‑ganger sammenlignet med den tidligere state‑of‑the‑art‑tilnærmingen.

Så ikke bare er Majorana‑baserte qubits mer pålitelige, de kan også kjøre raskere og krever færre fysiske qubits for å produsere én logisk qubit.

(logiske qubits er de nyttige måleenhetene for praktiske anvendelser, på samme måte som en prosessor måles i operasjoner per sekund og ikke bare etter hvor mange transistorer den inneholder)

«Vi tror dette gjennombruddet vil gjøre det mulig å skape en virkelig meningsfull kvantedatamaskin, ikke om tiår, som noen har spådd, men om år.»

Satya Nadella – Microsoft administrerende direktør

Applikasjoner

Vitenskap

Microsofts kommunikasjon rundt Majorana 1 er hovedsakelig fokusert på de vitenskapelige resultatene den kan skape, spesielt innen biologi og materialvitenskap.

Dette er svært viktige felt for kvantedatabehandling, siden beregning av proteinfolding til komplekse materialer for batterier krever enorm beregningskraft, og presser dagens superdatamaskiner til sine grenser.

Skalerbare kvantedatamaskiner vil kunne simulere disse problemene millioner eller til og med billioner ganger mer effektivt, sannsynligvis muliggjøre en massiv strøm av nye oppdagelser.

Dette vil ikke bare skje ved å utføre tidligere umulige beregninger, men også ved å unngå milliarder av dollar i omfattende eksperimentelle søk og våt‑lab‑forsøk.

Blant de endeløse mulighetene nevnte Microsoft:

• Selvreparerende materialer som reparerer sprekker i broer.
• Bærekraftig landbruk.
• Sikrere kjemisk oppdagelse.

I et én‑time langt intervju forklarte Microsofts administrerende direktør også at fra hans perspektiv er måten å se om kvantedatabehandling og AI fungerer tilstrekkelig på den globale økonomiske veksten.

«Den virkelige målestokken er om verden vokser med 10 %” mer enn noen andre måleparametre.»

Satya Nadella – Microsoft administrerende direktør
https://www.youtube.com/watch?v=4GLSzuYXh6w

Kryptografi & Forsvar

Kvantemaskiner har potensialet til å bryte nesten alle nåværende krypteringsmetoder, inkludert for militær kommunikasjon, atomkoder, bankoverføringer osv.

Derfor er det selvsagt et helt kritisk spørsmål for den amerikanske regjeringen (og alle andre store makter) å ikke bli tatt på sengen av fremgangen innen kvantedatabehandling.

Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) har valgt Microsoft som ett av to selskaper som går videre til den siste fasen av deres strenge benchmark‑program kjent som Underexplored Systems for Utility‑Scale Quantum Computing (US2QC), (det andre selskapet er det fotoniske kvante‑datamaskinselskapet PsiQuantum).

US2QC samlet 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.

Kvantedatabehandling og Majorana‑partikkelselskap

Microsoft

Selv om Microsoft er mest kjent for sin svært sterke tilstedeværelse i operativsystemer med Windows, er de også en gigant innen mange andre teknologifelt.

For eksempel er de ledende innen forretningsløsninger, inkludert Office (Outlook, Word, Excel og PowerPoint), men også bedrifts‑samtaler (Teams), sky‑delt lagring (OneDrive), Visio (diagrammer, grafer), Loop (samarbeidsområde) og Access (database).

Selv om de ikke er ledende innen sky‑tjenester (dominiert av Amazons AWS), står Microsoft for 20 % av den globale sky‑infrastrukturen gjennom sin Azure‑plattform, så stor som den samlede andelen til Google + Alibaba + Oracle.

Kilde: Statista

Microsoft eier også LinkedIn, GitHub, Xbox og mange av verdens største videospillstudioer.

Kilde: Microsoft

Når det gjelder AI, har Microsoft vært mer fokusert på tekniske bruksområder og forretningsapplikasjoner enn på forbrukerapplikasjoner, spesielt med AI4Science‑programmet, på AI‑er som er nyttige for vitenskapelig forskning.

Dette inkluderer for eksempel å akselerere arbeidet til materialforskere for å designe nye molekyler eller batterielektroder ved at en AI snevrer ned 32 millioner potensielle materialer til 500 000 kandidater, og deretter til 800 på under 80 timer.

Kilde: Microsoft

Selskaper som Unilever bruker allerede denne “Generative Chemistry” for å fremskynde sine vitenskapelige oppdagelser.

Frem til nå, når det gjelder kvantedatabehandling, så virket Microsoft som om de lå etter Google eller IBM; de tilbød kvantedatabehandlings‑skytjenester med Azure Quantum. Tjenesten kan også tilby «hybrid computing», som blander kvantedatabehandling med tradisjonell sky‑basert superdatamaskintjeneste.

Kilde: Microsoft

Nå som den banebrytende maskinvaren som utnytter Majorana‑partikler er avslørt, endrer det fullstendig selskapets faktiske posisjon.

Langt fra å ligge bak, har de bare pusset på sin store kunngjøring, og bygget opp programvaren og bruksområdene som deres industrielle kunder vil bruke med sine skalerbare kvantedatamaskiner.

Dette er et radikalt avvik fra et selskap som hovedsakelig har fokusert på programvare fremfor maskinvare, med unntak av Xbox‑konsollen.

Og det kan vise seg å være ekstremt lønnsomt dersom Majorana‑partikkelen viser seg å være nøkkelen til skalerbare, ultra‑kraftige million‑qubit‑kvantedatamaskiner, og gi ekstra vekst til et allerede massivt selskap.

(Du kan også lese vår artikkel som setter søkelyset på Microsoft som helhet i mer detalj, utover kvantedatabehandling, for bedre å forstå selskapet).

Studierreferanse:

^{1. Microsoft Azure Quantum., Aghaee, M., Alcaraz Ramirez, A. et al. (2025) Interferometrisk enkel‑skudd paritetsmåling i InAs–Al hybrid‑enheter. Nature 638, 651–655. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08445-2}