Microsoft Oppdager En Ny Tilstand Av Materia For Majorana-1 Kvantecomputering Chip

En Ny Tilstand Av Materia For Å Skalere Kvantecomputere

Det har vært en begivenhetsrik few måneder for fremgang i kvantecomputing og selskapene vi dekket i “5 Beste Kvantecomputing Selskaper I 2025“.

Det startet med Googles Willow I Desember 2024, kanskje den første skalerbare kvantechipen. Det fulgte så med nyheten om den første distribuerte kvantecomputing Over Et Optisk Nettverkslenke, åpner veien for kvantecomputere å være nettverket som vanlige i dedikerte servere.

Nå er det Microsofts tur til å gjøre en stor splitt med presentasjonen av Majorana 1, en chip som bruker en helt ny tilstand av materia til å utføre kvantecomputing: topoconductors.

Microsoft hevder at topoconductors kan produsere mer pålitelige og skalerbare qubits, byggestenene for kvantecomputere.

Denne helt nye vei for kvantecomputing endrer radikalt hvordan Microsoft har tenkt å bygge sine fremtidige kvantecomputere, med “en klar vei til å passe en million qubits på en enkelt chip som kan passe i håndflaten på en persons hånd.”

Hva Er Topoconductors?

Det ser ut til at opphavet til gjennombruddet stammer fra en ny tilnærming, å se på å lage en transistor dedikert til kvantecomputing, gått utenfor hva som har blitt gjort til nå.

“Vi tok et steg tilbake og sa ‘OK, la oss oppfinne transistor for kvantetiden. Hva egenskaper må den ha?’

Og det er virkelig hvordan vi kom hit – det er den spesielle kombinasjonen, kvaliteten og de viktige detaljene i vår nye materialstabel som har gjort det mulig å lage en ny type qubit og vårt hele arkitektur.”

Chetan Nayak, Microsoft Technical Fellow

Topologiske superledere, beskrevet i den tilhørende artikkelen publisert i Nature¹, under tittelen “Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices“, er en tilstand av materia forskjellig fra den mer kjente fast, flytende, eller gass, eller selv de mer eksotiske som plasma eller Bose-Einstein-kondensat.

Topologisk tilstand var bare teoretisert til nå, først av Ettore Majorana (1906-1938), men plutselig ser det ut til at det ikke bare er observerbart, men også kontrollerbart. Denne Majorana-partikkelen (også kalt Majorana-fermion), en partikkel som er sin egen antipartikkel, ble observert av Microsofts forskere for første gang i 2024.

Majorana-partikler er lignende på elektroner på noen måter og kunne brukes til å bevare kvantedata nyttig for kvanteberegning.

Dette var ikke på noen måte en overnattingssuksess og har åpenbart vært resultatet av mer enn 17 års forskning, Microsofts lengstevarende forskningsprosjekt, og til nå en meget godt bevart hemmelighet.

For å forenkle ting (mye), en topoconductor er en halvleder som deler noen av sine egenskaper på atom- og subatomnivå med superledermaterialer.

Kilde: Microsoft

Måten dette ble oppnådd er ved å slå sammen indiumarsenid (en halvleder) og aluminium (en superleder) i en ledning.

Kilde: Physical Review

Når de kjøles ned til nær absolutt null og justeres med magnetfelt, former disse enhetene topologiske superledende nanotråder, som inneholder såkalte Majorana nullmodus (MZM) på trådenes ender.

Kilde: Microsoft

Ultra-Stabil Kvantetilstand

I en “normal” superleder, kan hver uparet elektron detekteres fordi dens tilstedeværelse krever ekstra energi. Dette gjør målingen enkel, men også gjør den svært følsom for støy og forstyrrelser fra omgivelsene, noe som gjør kvanteberegning vanskelig.

MZM er radikalt forskjellig, ettersom et uparet elektron deles mellom et par MZM, noe som gjør det usynlig for omgivelsene. Denne unike egenskapen til Majorana-partikler beskytter kvantinformasjonen, noe som 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 målingen av den ekstremt vanskelig, derfor hvorfor Majorana-partikler har vært teoretiske bare i ett århundre til nå, ekstremt nylig.

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?

Microsofts løsning på problemet utnyttet kvantedoter, et unikt materiale vi diskuterte omfattende i “Investering I Nobelprispremierte – Kvantedoter & Nanofarger“. Det kan beskrives som en liten halvlederenhet som kan lagre elektrisk ladning.

Kvantedoten plasseres på enden av den topologiske nanotråden. Denne tilkoblingen øker dotens evne til å holde ladning. Kritisk, avhenger den eksakte økningen av nanotrådens paritet.

Kilde: Microsoft

Så, ved å måle tilstanden til kvantedotene, en velkjent prosess som bruker mikrobølger, kan systemet også måle den ellers usynlige kvantetilstanden til Majorana-partikkelen.

Kilde: Nature

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

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-Pålitelige Qubits

Det endrer fullstendig tilnærmingen til kvantetilstandsmåling brukt i kvanteberegning.

Inntil nå, har dette krevd rotasjon av kvantetilstander gjennom nøyaktige vinkler, noe som krever komplekse analoge kontrollsignaler tilpasset hver qubit. Det gjorde feilkorreksjon, som avhenger av samme metode, ekstremt komplekst, dyrt og mindre pålitelig.

I stedet kan metoden oppdaget av Microsoft korrigere feil ved å koble og frakoble kvantedoter fra nanotrådene, ved å bruke en digital puls.

Kilde: Microsoft

Hvis du er interessert, kan du lære mer om detaljene om hvordan topoconductors har blitt utviklet i denne lange intervjuen med Dr. Chetan Nayak, lederen bak dette Microsoft-prosjektet.

Innbygget Skalerbar Arkitektur

Fordi systemet er så mye enklere i terms of engineering, hvis ikke i terms of partikkelfysikk, og også mer pålitelig og stabil, er det naturlig lettere å skalerer opp.

Den grunnleggende komponenten ville være en “tetron”, bestående av 2 nanotråder, 4 MZM og 4 kvantedoter, som danner en 2-qubit enhet.

Når den parets med en annen, kan den danne en grunnleggende 2-qubit enhet som støtter en metode brukt for kvanteberegning kalt “målingsbasert flettingstransformasjoner“.

En 4×2 array av tetroner kunne utføre feilkorreksjon på to logiske qubits.

Kilde: Microsoft

Denne blokk kan så replikeres dusinvis, hundrevis eller ultimate tusenvis eller millioner ganger for å bygge en massiv kvantecomputer, mye større enn noe som er forestilt til nå.

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.

Du kan se hvordan Majorana-chipen ser ut fra denne renderen, fra Majorana-partikkelen og til hele chipen holdt i en persons hånd.

Til slutt, den viktigste delen som gjør denne teknologien spesielt skalerbar, er hvor små de fysiske komponentene er. Som resultat, kan mer enn en million fysiske qubits bli satt inn i en liten chip som kan holde i hånden.

Kilde: Microsoft

Ytterligere Forbedring

Som forklart, kan selv den 1% feilprobasiliteten i målingen av kvantedotene og MZM reduseres videre. Microsofts forskere ser allerede en måte å gjøre det på.

Siden feil i beregning kompenserer hverandre, kan en 10x reduksjon i feilraten øke mye mer den ultimate nyttige beregningspotensialet.

En annen ting som kan forbedres er den generelle kvantetilstandsstabiliteten til Majorana-partiklene.

“Ekstern energi—som elektromagnetisk stråling—kan bryte Cooper-par, og skape uparrede elektroner som kan flippe qubits tilstand fra partall til oddetall paritet. Men våre resultater viser at dette er sjeldent, og skjer bare en gang per millisekund i gjennomsnitt.”

Siden systemet utviklet av Microsoft har demonstrert imponerende stabilitet, indikerer det at skjermingen allerede gjør sin jobb godt. Men det er sannsynligvis flere måter å redusere interferensene videre, som allerede er under undersøkelse.

Accelererende Den Kvanteberegning Revolusjonen

Neste steg for Microsoft er å bygge 4×2 tetronarrayen utover den initielle prototypen og teste den i skala.

Og så bruke hele åtte-qubit arrayen til å implementere kvantefeilkorreksjon (QEC) på to logiske qubits.

Fordi de topologiske qubits har innebygd feilkorreksjon, forenkler QEC betydelig. I tillegg hevder Microsoft at deres tilpassede QEC-koder reduserer overhode omtrent 10x sammenlignet med den forrige state-of-the-art-tilnærmingen.

Så ikke bare er Majorana-baserte qubits mer pålitelige, men de kan også kjøre raskere og krever færre fysiske qubits for å produsere en 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)

“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 – Microsoft CEO

Anvendelser

Vitenskap

Microsofts kommunikasjon om Majorana 1 er hovedsakelig fokusert på de vitenskapelige resultater det kunne skape, spesielt i biologi og materialvitenskap.

Disse er veldig viktige felt for kvanteberegning, siden fra protein-folding til komplekse materialer for batterier, beregningen av hvordan de oppfører seg på atomnivå er ekstremt krævende i terms of beregning, og presser grensene for nåværende supercomputere.

Skalerbare kvantecomputere ville være i stand til å simulere disse problemene millioner eller til og med billioner ganger mer effektivt, og sannsynligvis tillate en massiv strøm av nye oppdagelser.

Dette vil bli gjort ikke bare ved å utføre tidligere umulige beregninger, men også ved å unngå milliarder av dollar i uttømte eksperimentelle søk og våte laboratorieeksperimenter.

Blant de endeløse mulighetene, ble noen nevnt av Microsoft:

• Selvhealende materialer som reparerer sprekk i broer.
• Bærekraftig jordbruk.
• Sikrere kjemisk oppdagelse.

I en 1-timers lang intervju, forklarte CEO-en av Microsoft at måten å se om kvanteberegning og AI utfører tilfredsstillende er global økonomisk vekst.

“Den virkelige benchmark er hvis verden vokser med 10%” mer enn noen andre målinger.”

Satya Nadella – Microsoft CEO

Kryptografi & Forsvar

Kvantecomputere har potensialet til å bryte nesten alle nåværende krypteringsmetoder, inkludert for militærkommunikasjon, atomkoder, bankoverføringer osv.

Så det er selvfølgelig en absolutt kritisk spørsmål for USAs regjering (og alle andre store makter) å ikke bli tatt på sengen av fremgang i kvanteberegning.

Forsvarsavdelingen for avansert forskning (DARPA) har valgt Microsoft som en av to selskaper til å gå videre til den siste fasen av deres strenge benchmarking-program kalt Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC), (det andre selskapet er fotonsk kvanteberegning 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.

Kvanteberegning Og Majorana-Partikkel Selskap

Microsoft

Microsoft er mest kjent for sin sterke tilstedeværelse i operativsystemer med Windows, men det er også en gigant i mange andre tekniske felt.

For eksempel er det lederen i bedriftsløsninger, inkludert Office (Outlook, Word, Excel og PowerPoint), men også selskapsanrop (Teams), sky-basert lagring (OneDrive), Visio (diagrammer, tabeller), Loop (samarbeidsrom) og Access (database).

Mens det ikke er lederen i skytjenester (dominert av Amazons AWS), er Microsoft 20% av den globale sky-infrastrukturen gjennom sin Azure-plattform, like stor som den kombinerte andelen av Google + Alibaba + Oracle.

Kilde: Statista

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

Kilde: Microsoft

Når det kommer til AI, har Microsoft vært mer fokusert på tekniske bruksområder og bedriftsanvendelser enn forbruker-apps, særlig med AI4Science-programmet, på AIs nyttige for vitenskapelig forskning.

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

Kilde: Microsoft

Selskaper som Unilever bruker allerede denne “Generative Chemistry” til å akselerere sine vitenskapelige oppdagelser.

Inntil nå, når det kommer til kvanteberegning, har Microsoft syntes å være etter andre som Google eller IBM; det tilbød kvanteberegningstjenester med Azure Quantum. Tjenesten kan også tilby “hybrid computing”, som kombinerer kvanteberegning med tradisjonell sky-basert supercomputer-tjeneste.

Kilde: Microsoft

Nå at den banebrytende hårdwaren som utnytter Majorana-partikler er avdekket, endrer det fullstendig den faktiske posisjonen til selskapet.

Langt fra å være etter, var det bare polerte sin store annonsering, og bygget opp programvaren og bruksområdene som deres industrielle kunder vil bruke med deres skalerbare kvantecomputere.

Dette er en radikal avvik fra et selskap hovedsakelig fokusert på programvare over hårdware, med unntak av Xbox-konsollen.

Og en som kunne vise seg å være ekstremt lønnsomt hvis det viser seg at Majorana-partikkelen er nøkkelen til skalerbare, og ultra-kraftige million-qubit kvantecomputere, og gir ekstra vekst til et allerede stort selskap.

(Du kan også lese vår artikkel som setter fokus på Microsoft som helhet i mer detalj, utenfor kvanteberegning, for å bedre forstå selskapet).

Studie Referanse:

^{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}