Microsoft uppfinner ett nytt tillstånd av materia för Majorana‑1 kvantdatorchip

Ny tillstånd av materia för att skala kvantdator

Det har varit några händelserika månader för framsteg inom kvantdatorer och de företag vi täckte i “5 bästa kvantdatorföretagen 2025”.

Det började med Googles Willow i december 2024, kanske den första någonsin skalbara kvantchipen. Därefter följde nyheten om den första distribuerade kvantdatorn över en optisk nätverkslänk, vilket öppnade vägen för att kvantdatorer kan nätverkas som vanliga i dedikerade servrar.

Nu är det Microsofts tur att göra ett stort avtryck med presentationen av Majorana 1, ett chip som använder ett helt nytt tillstånd av materia för att utföra kvantdatorberäkningar: topokonduktorer.

Microsoft (MSFT ) påstår att topokonduktorer kan producera mer pålitliga och skalbara qubitar, byggstenarna för kvantdatorer.

Denna helt nya väg för kvantdatorer förändrar radikalt hur Microsoft planerar att bygga sina framtida kvantdatorer, med ”en tydlig väg att få plats med en miljon qubitar på ett enda chip som får plats i handflatan.”

Vad är topokonduktorer?

Det verkar som att genombrottets ursprung kommer från ett nytt tillvägagångssätt, att skapa en transistor dedikerad till kvantdatorer, som går bortom vad som hittills har gjorts.

“Vi tog ett steg tillbaka och sa ‘Okej, låt oss uppfinna transistorn för den kvantära epoken. Vilka egenskaper måste den ha?’

Och det är faktiskt så vi kom hit – det är den specifika kombinationen, kvaliteten och de viktiga detaljerna i vår nya materialstack som har möjliggjort en ny typ av qubit och i slutändan hela vår arkitektur.”

Chetan Nayak, Microsoft technical fellow

Topologiska supraledare, beskrivna i den motsvarande artikeln publicerad i Nature¹, med titeln “Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices“, är ett tillstånd av materia som skiljer sig från de mer välkända som fast, vätska eller gas, eller även de mer exotiska som plasma eller Bose‑Einstein‑kondensat.

Det topologiska tillståndet var bara teoretiserat fram till nu, först av Ettore Majorana (1906‑1938), men plötsligt verkar det inte bara vara observerbart utan även kontrollerbart. Denna Majorana‑partikel (även kallad Majorana‑fermion), en partikel som är sin egen antipartikel, observerades av Microsofts forskare för första gången 2024.

Majorana‑partiklar är på vissa sätt liknande elektroner och kan användas för att bevara kvantdata som är användbara för kvantberäkningar.

Detta var på inget sätt en snabb framgång och har tydligen varit resultatet av mer än 17 års forskning, Microsofts längst pågående forskningsprojekt, och fram till nu ett mycket välbevarat hemlighet.

För att förenkla saker (mycket), är en topokonduktor en halvledare som delar vissa av sina egenskaper på atom- och subatomnivå med supraledarmaterial.

Källa: Microsoft

Detta uppnåddes genom att i en tråd sammanfoga indiumarsenid (en halvledare) och aluminium (en supraledare).

Källa: Physical Review

När de kyls till nära absolut nollgrad och justeras med magnetfält bildar dessa enheter topologiska supraledande nanotrådar, som innehåller så kallade Majorana Zero Modes (MZM) i trådens ändar.

Källa: Microsoft

Ultrastabilt kvanttillstånd

I en “normal” supraledare kan varje oparad elektron detekteras eftersom dess närvaro kräver extra energi. Detta gör mätningen enkel, men gör också elektronen mycket känslig för brus och störningar från omgivningen, vilket gör kvantberäkningar svåra.

MZM är radikalt annorlunda, eftersom en oparad elektron delas mellan ett par MZM, vilket gör den osynlig för omgivningen. Denna unika egenskap hos Majorana‑partiklar skyddar den kvantinformation, vilket gör den ultrastabil och pålitlig.

Osynliga elektroner

Självklart, medan detta är idealiskt för att bevara kvanttillståndet i ett stabilt och användbart tillstånd, gör det också varje faktisk mätning extremt svår, vilket förklarar varför Majorana‑partiklar bara har varit teoretiska i ett sekel fram till mycket nyligen.

Även om detta gör våra topokonduktorer till idealiska kandidater för qubitar, innebär det också en utmaning: Hur läser vi av kvantinformation som är så väl gömd? Hur kan vi skilja mellan, säg, 1 000 000 000 och 1 000 000 001 elektroner?

Microsofts lösning på problemet utnyttjade kvantprickar, ett unikt material som vi diskuterade utförligt i “Investing in Nobel Prize Achievements – Quantum Dots & Nanocolors”. Det kan beskrivas som en liten halvledarenhet som kan lagra elektrisk laddning.

Kvantprickan placeras i slutet av den topologiska nanotråden. Denna anslutning ökar prickens förmåga att hålla laddning. Avgörande är att den exakta ökningen beror på nanotrådens paritet.

Källa: Microsoft

Så, genom att mäta tillståndet hos kvantprickarna, en väl förstådd process med mikrovågor, kan systemet även mäta det annars osynliga kvanttillståndet hos Majorana‑partikeln.

Källa: Nature

Mätningen är inte bara möjlig, den är också extremt pålitlig, även med en första prototyp, innan någon ytterligare optimering har gjorts.

Vi designade våra enheter så att dessa förändringar är tillräckligt stora för att mätas pålitligt i ett enda försök. Våra initiala mätningar hade en felprobabilitet på 1 %, och vi har identifierat tydliga vägar för att avsevärt minska detta.

Ultrapålitliga qubitar

Det förändrar fullständigt tillvägagångssättet för mätning av kvanttillstånd som används i kvantdatorer.

Fram till nu krävde detta rotation av kvanttillstånd genom precisa vinklar, vilket krävde komplexa analoga styrsignaler anpassade för varje qubit. Det gjorde felkorrigering, som förlitade sig på samma metod, extremt komplex, dyr och överlag mindre pålitlig.

Istället kan metoden som Microsoft upptäckte enkelt korrigera fel genom att ansluta och koppla bort kvantprickar från nanotrådarna, med en digital puls.

Källa: Microsoft

Om du är intresserad kan du läsa mer om detaljerna kring hur topokonduktorer har utvecklats i denna långa intervju med Dr. Chetan Nayak, ledaren bakom Microsofts projekt.

Inbyggt skalbar arkitektur

Eftersom systemet är så mycket enklare ur ett ingenjörsperspektiv, om än inte inom partikel­fysik, och dessutom mer pålitligt och stabilt, är det naturligt lättare att skala upp.

Den grundläggande komponenten skulle vara en ”tetron”, bestående av 2 nanotrådar, 4 MZM och 4 kvantprickar, vilket skapar en 2‑qubit‑enhet.

När den paras ihop med en annan kan den bilda en grundläggande två‑qubit‑enhet som stödjer en metod som används för kvantberäkning kallad “measurement-based braiding transformations”.

En 4×2‑matris av tetrons skulle kunna utföra felupptäckt på två logiska qubitar.

Källa: Microsoft

Denna block kan sedan replikeras tiotals, hundratals eller i slutändan tusentals eller miljoner gånger för att bygga en massiv kvantdator, mycket större än något som föreställts hittills.

Det är kanske inte förvånande att kvantberäkning kräver att vi konstruerar ett nytt tillstånd av materia specifikt designat för att möjliggöra det.

Det som är anmärkningsvärt är hur exakt vår avläsningsteknik redan är, vilket visar att vi utnyttjar detta exotiska tillstånd av materia för kvantberäkning.

Du kan se hur Majorana‑chipet ser ut från denna rendering, med början vid Majorana‑partikeln och slutet med hela chipet hålls i en persons hand.

Slutligen, den nyckelkomponent som gör denna teknik särskilt skalbar är hur små de fysiska komponenterna är. Som ett resultat kan mer än en miljon fysiska qubitar placeras i ett litet chip som får plats i handen.

Källa: Microsoft

Vidare förbättring

Som förklarat kan även felprobabiliteten på 1 % i mätningen av kvantprickarna och MZM minskas ytterligare. Microsofts forskare ser redan en metod för att göra det.

Eftersom fel i beräkningar samverkar, kan en minskning av felräntan med 10‑falt öka den slutgiltiga användbara beräkningspotentialen avsevärt.

En annan aspekt som kan förbättras är den övergripande stabiliteten i kvanttillståndet för Majorana‑partiklarna.

“Extern energi—såsom elektromagnetisk strålning—kan bryta Cooper‑par, skapa oparade elektroner som kan vända qubitens tillstånd från jämn till udda paritet. Våra resultat visar dock att detta är sällsynt, och inträffar i genomsnitt bara en gång per millisekund.”

Eftersom systemet utvecklat av Microsoft har visat imponerande stabilitet, indikerar det att avskärmningen redan fungerar väl. Det finns dock sannolikt fler sätt att ytterligare minska störningar, vilka redan undersöks.

Accelerera kvantdatorrevolutionen

Nästa steg för Microsoft är att bygga 4×2‑tetron‑matrisen bortom den initiala prototypen och testa den i skala.

Och sedan använda hela åtta‑qubit‑matrisen för att implementera kvantfelupptäckt (QEC) på två logiska qubitar.

Eftersom de topologiska qubitarna har inbyggt felsskydd förenklar det QEC avsevärt. Dessutom påstår Microsoft att dess anpassade QEC‑koder minskar overheaden ungefär 10‑falt jämfört med den tidigare mest avancerade metoden.

Så inte bara är Majorana‑baserade qubitar mer pålitliga, de kan också köras snabbare och kräver färre fysiska qubitar för att producera en logisk qubit.

(logiska qubitar är de användbara mätenheterna för praktiska tillämpningar, på samma sätt som en processor mäts i operationer per sekund och inte bara efter hur många transistorer den innehåller)

“Vi tror att detta genombrott kommer att göra det möjligt att skapa en verkligt meningsfull kvantdator inte om årtionden, som vissa har förutspått, utan inom några år.”

Satya Nadella – Microsoft VD

Tillämpningar

Vetenskap

Microsofts kommunikation kring Majorana 1 fokuserar mest på de vetenskapliga resultat den kan skapa, särskilt inom biologi och materialvetenskap.

Dessa är mycket viktiga områden för kvantdatorer, eftersom beräkning av hur proteinfällning till komplexa material för batterier beter sig på atomnivå är extremt resurskrävande, vilket pressar nuvarande superdatorer till gränsen.

Skalbara kvantdatorer skulle kunna simulera dessa problem miljoner eller till och med biljoner gånger mer effektivt, vilket sannolikt möjliggör ett enormt flöde av nya upptäckter.

Detta kommer att göras inte bara genom att utföra tidigare omöjliga beräkningar, utan också genom att undvika miljarder dollar i omfattande experimentella sökningar och våtlabbsexperiment.

Bland de oändliga möjligheterna nämnde Microsoft några:

• Självläkande material som reparerar sprickor i broar.
• Hållbart jordbruk.
• Säkrare kemisk upptäckt.

I en en timme lång intervju förklarade Microsofts VD till och med att ur hans perspektiv är det sätt att se om kvantdatorer och AI presterar tillräckligt den globala ekonomiska tillväxten.

“Det verkliga måttet är om världen växer med 10 %” mer än någon annan mätning.”

Satya Nadella – Microsoft VD

Kryptografi & Försvar

Kvantdatorer har potentialen att bryta nästan alla nuvarande krypteringsmetoder, inklusive för militära kommunikationer, kärnkod, banköverföringar osv.

Det är därför naturligtvis en absolut avgörande fråga för den amerikanska regeringen (och alla andra stormakter) att inte bli överraskade av framsteg inom kvantdatorer.

Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) har valt Microsoft som ett av två företag att gå vidare till den sista fasen av deras rigorösa benchmarkprogram känt som Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC), (det andra företaget är fotonisk kvantdator PsiQuantum).

US2QC samlade experter från DARPA, Air Force Research Laboratory, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Los Alamos National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory och NASA Ames Research Center.

Kvantdatorer och Majorana‑partikelföretaget

Microsoft

Medan Microsoft är mest känt för sin starka närvaro inom operativsystem med Windows, är det också en jätte inom många andra teknikområden.

Till exempel är det ledande inom affärslösningar, inklusive Office (Outlook, Word, Excel och PowerPoint), men även företagskommunikation (Teams), molnbaserad lagring (OneDrive), Visio (diagram, grafer), Loop (samarbetsarbetsyta) och Access (databas).

Även om det inte är ledande inom molntjänster (dominerade av Amazons AWS), står Microsoft för 20 % av den globala molninfrastrukturen via sin Azure‑plattform, lika stor som den kombinerade andelen av Google + Alibaba + Oracle.

Källa: Statista

Microsoft äger också LinkedIn, GitHub, Xbox och många av världens största videospelstudior.

Källa: Microsoft

När det gäller AI har Microsoft fokuserat mer på tekniska användningsfall och affärsapplikationer än konsumentappar, särskilt med AI4Science‑programmet, på AI som är användbara för vetenskaplig forskning.

Det inkluderar till exempel att påskynda materialforskarnas arbete med att designa nya molekyler eller batterielektroder genom att ha en AI som reducerar 32 miljoner potentiella material till 500 000 kandidater, och sedan till 800 på mindre än 80 timmar.

Källa: Microsoft

Företag som Unilever använder redan denna “Generative Chemistry” för att påskynda sina vetenskapliga upptäckter.

Fram till nu, när det gäller kvantdatorer, verkade Microsoft ligga efter Google eller IBM; det erbjöd kvantdatormolntjänster med Azure Quantum. Tjänsten kan också erbjuda “hybrid computing”, som kombinerar kvantdatorer med traditionell molnbaserad superdatorservice.

Källa: Microsoft

Nu när den banbrytande hårvaran som utnyttjar Majorana‑partiklar har avslöjats, förändrar det helt Microsofts faktiska position.

Långt ifrån att ligga efter, har det bara slipat sitt stora tillkännagivande och byggt upp mjukvaran och användningsfallen som dess industriella kunder kommer att använda med sina skalbara kvantdatorer.

Detta är ett radikalt avsteg från ett företag som mest fokuserar på mjukvara snarare än hårvara, med undantag för Xbox‑konsolen.

Och ett som kan visa sig extremt lönsamt om det visar sig att Majorana‑partikeln är nyckeln till skalbara och ultrakraftfulla miljon‑qubit‑kvantdatorer, vilket ger extra tillväxt till ett redan massivt företag.

(Du kan också läsa vår artikel som sätter ljuset på Microsoft som helhet i mer detalj, bortom kvantdatorer, för att bättre förstå företaget).

Studierreferens:

^{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}