Terobosan chip kuantum yang memanfaatkan keadaan materi baru dapat membuat kita berada di jalan menuju supremasi kuantum
Para ilmuwan di Microsoft telah membangun chip komputasi kuantum baru menggunakan kategori khusus bahan yang mampu memanfaatkan keadaan materi baru. Terobosan ini dapat memungkinkan para peneliti untuk membangun satu chip dengan jutaan qubit yang andal lebih cepat dari yang diperkirakan oleh para ahli – mungkin hanya dalam beberapa tahun daripada beberapa dekade.
Yang baru Unit pemrosesan kuantum (QPU), yang disebut “Majorana 1,” adalah chip prototipe delapan ubit yang dibangun dari bahan pertama dari jenisnya di dunia-konduktor topologi, atau topokonduktor. Ini dapat mencapai keadaan materi “topologi” dan memanfaatkan hukum mekanika kuantum dalam kondisi yang tepat untuk memproses 1S dan 0S data komputasi di komputer kuantum.
Jenis qubit baru, yang disebut “qubit topologi,” stabil, lebih kecil, lebih sedikit mengeringkan dan lebih terukur daripada qubit yang dibuat dari a logam superkonduktor – Jenis qubit yang paling umum digunakan Komputer kuantum dibangun oleh perusahaan seperti Google, IBMdan Microsoft sendiri.
“Kami mundur selangkah dan berkata ‘Oke, mari kita temukan transistor untuk usia kuantum. Properti apa yang perlu dimiliki?’,” Chetan NayakMicrosoft Technical Fellow dan Profesor Fisika di University of California Santa Barbara, mengatakan dalam a penyataan. “Dan begitulah cara kami sampai di sini – kombinasi khusus, kualitas dan detail penting dalam tumpukan bahan baru kami yang telah memungkinkan jenis qubit baru dan pada akhirnya seluruh arsitektur kami.”
Pembuatan QPU ini hanya dimungkinkan setelah para peneliti, untuk pertama kalinya, menggunakan arsitektur untuk secara definitif mengamati dan mengendalikan partikel subatomik yang penuh teka ahli matematika Ettore Majorana pada tahun 1937.
Para ilmuwan sebelumnya telah mencoba menciptakan Majorana Fermions untuk digunakan untuk jenis komputasi kuantum baru. Eksplorasi Majorana Fermion dan itu Usulan penggunaan di komputer kuantum rentang bertahun -tahun, termasuk a melaporkan penemuan partikel pada tahun 2012 dan di April 2024. Ilmuwan di Juni 2023 Juga menerbitkan penelitian yang melaporkan penemuan keadaan topologi materi.
Teori Majorana mengusulkan bahwa suatu partikel bisa menjadi antipartikel sendiri. Itu berarti secara teori dimungkinkan untuk menyatukan dua partikel ini, dan mereka akan saling memusnahkan dalam pelepasan energi yang sangat besar (seperti normal) atau dapat hidup berdampingan secara stabil ketika berpasangan bersama – priming mereka untuk menyimpan informasi kuantum.
Partikel -partikel subatomik ini tidak ada di alam, jadi untuk mendorong mereka menjadi, para ilmuwan Microsoft harus membuat serangkaian terobosan dalam ilmu material, metode fabrikasi, dan teknik pengukuran. Mereka menguraikan penemuan-penemuan ini-puncak dari proyek selama 17 tahun-dalam sebuah studi baru yang diterbitkan 19 Februari di jurnal Alam.
Ini adalah ‘transistor untuk usia kuantum’
Di antara penemuan -penemuan ini adalah penciptaan topokonduktor spesifik ini, yang digunakan sebagai dasar qubit. Para ilmuwan membangun topokonduktor mereka dari tumpukan material yang menggabungkan semikonduktor yang terbuat dari indium arsenide (biasanya digunakan dalam perangkat seperti kacamata penglihatan malam) dengan superkonduktor aluminium.
Para peneliti membutuhkan kombinasi yang tepat dari komponen -komponen ini untuk memicu transisi yang diinginkan ke Sate of Matter Topologi Baru. Mereka juga perlu menciptakan kondisi yang sangat spesifik untuk mencapai hal ini – yaitu, suhu dekat nol absolut dan paparan medan magnet. Hanya dengan begitu mereka dapat mengantarkan MZM ke dalam keberadaan.
Untuk membangun satu qubit, yang berukuran kurang dari 10 mikron – jauh lebih kecil dari qubit superkonduktor – para ilmuwan mengatur satu set kawat nano menjadi bentuk H, dengan dua kabel topokonduktor yang lebih panjang bergabung di tengah oleh satu kawat superkonduktor. Mereka selanjutnya menginduksi empat MZM untuk ada pada keempat titik H dengan mendinginkan struktur ke bawah dan menyetelnya dengan medan magnet. Akhirnya, untuk mengukur sinyal ketika perangkat akan beroperasi, mereka menghubungkan H dengan titik kuantum semikonduktor – setara dengan kapasitor kecil yang membawa muatan.
Topokonduktor berbeda dari superkonduktor dalam cara mereka berperilaku ketika dibebani dengan elektron yang tidak berpasangan. Dalam superkonduktor, elektron biasanya berpasangan – dikenal sebagai pasangan Cooper – dengan jumlah elektron ganjil (elektron tidak berpasangan) yang membutuhkan sejumlah besar energi untuk mengakomodasi, atau memasuki keadaan tereksitasi. Perbedaan energi antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi adalah dasar untuk data 1S dan 0S dalam qubit superkonduktor.
Seperti superkonduktor, topokonduktor menggunakan ada atau tidak adanya elektron yang tidak berpasangan sebagai 1 dan 0 data komputasi, tetapi bahan tersebut dapat “menyembunyikan” elektron yang tidak berpasangan dengan berbagi kehadiran mereka di antara elektron berpasangan. Ini berarti tidak ada perbedaan energi yang terukur ketika elektron yang tidak berpasangan ditambahkan ke dalam sistem, membuat qubit lebih stabil pada tingkat perangkat keras dan melindungi informasi kuantum. Namun, itu juga berarti lebih sulit untuk mengukur keadaan kuantum qubit.
Di sinilah titik kuantum masuk. Para ilmuwan memancarkan satu elektron dari titik kuantum ke salah satu ujung kawat, melalui MZM, dan muncul dari ujung lain, melalui MZM lain. Dengan meledakkan titik kuantum dengan microwave seperti yang terjadi, refleksi yang kembali membawa jejak keadaan kuantum dari nano.
Keakuratan pengukuran ini adalah sekitar 99%, para ilmuwan mengatakan dalam penelitian ini, mencatat bahwa radiasi elektromagnetik adalah salah satu contoh faktor eksternal yang memicu kesalahan sekali per milidetik, rata -rata. Para ilmuwan mengatakan ini jarang dan menunjukkan bahwa pelindung yang melekat pada jenis prosesor baru efektif untuk menjaga radiasi.
Jalan menuju jutaan qubit
“Ini rumit karena kami harus menunjukkan keadaan baru untuk sampai di sana, tetapi setelah itu, itu cukup sederhana. Ini ubin. Anda memiliki arsitektur yang jauh lebih sederhana yang menjanjikan jalur yang jauh lebih cepat ke skala,” Krysta SvoreManajer penelitian utama Microsoft, mengatakan dalam pernyataan itu.
Svore menambahkan arsitektur qubit baru ini, yang disebut “inti topologi,” mewakili langkah pertama pada jalur untuk menciptakan komputer kuantum 1 juta-ubit yang dapat diterapkan-menyamakan penciptaannya dengan pergeseran dari membangun komputer menggunakan tabung vakum dengan transistor masuk abad ke -20.
Ini berkat ukuran yang lebih kecil dan kualitas qubit yang lebih tinggi, di samping kemudahan yang dapat mereka skala karena cara qubit cocok bersama seperti ubin, kata para ilmuwan dalam penelitian ini.
Dalam beberapa tahun ke depan, para ilmuwan berencana untuk membangun satu chip dengan sejuta qubit fisik, yang pada gilirannya, akan mengarah pada terobosan ilmiah yang berguna di bidang seperti kedokteran, ilmu material dan pemahaman kita tentang alam yang tidak mungkin dilakukan untuk menggunakan itu Superkomputer tercepat.
Namun, chip kuantum tidak berfungsi secara terpisah. Sebaliknya, itu ada dalam ekosistem di samping lemari es pengenceran untuk mencapai suhu yang sangat dingin, sistem yang mengelola logika kontrol, dan perangkat lunak yang dapat berintegrasi dengan komputer klasik dan kecerdasan buatan (AI). Para ilmuwan mengatakan bahwa mengoptimalkan sistem ini sehingga mereka dapat bekerja pada skala yang jauh lebih besar akan membutuhkan penelitian lebih lanjut bertahun -tahun. Tetapi garis waktu ini dapat dipercepat dengan terobosan lebih lanjut.
“Bahan -bahan itu harus berbaris dengan sempurna. Jika ada terlalu banyak cacat di tumpukan material, itu hanya membunuh qubit Anda,” kata Svore dalam pernyataan itu. “Ironisnya, ini juga mengapa kita membutuhkan komputer kuantum – karena memahami bahan -bahan ini sangat sulit. Dengan komputer kuantum berskala, kita akan dapat memprediksi bahan dengan sifat yang lebih baik untuk membangun generasi komputer kuantum berikutnya di luar skala.”
