A Microsoft a napokban bejelentette a Majorana 1 névre keresztelt kvantumprocesszort, amelyről túlzások nélkül állítható, hogy forradalmi lépést jelent a gyakorlati kvantumszámítógépek építésében. A processzor megépítéséhez egy anyagtudományi áttörésre volt szükség, hiszen a chip felépítéséhez a topovezetők (topoconductor) egy új osztályát kellett kifejleszteni. A topovezetők olyan speciális anyagok, amelyek különleges elektromos tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyeket a kvantummechanika és a topológia összefüggései határoznak meg. Míg a hagyományos kvantumos megközelítések azon túl, hogy bonyolúltak rendkívül instabilak is így nehezen skálázhatóak, addig a Majorana 1 az új anyagoknak köszönhetően rendkívül jól skálázható és hibatűrő.
A kvantumszámítógépek a hagyományos számítógépekkel ellentétben nem biteket, hanem úgynevezett qubite-eket (kvantumbiteket) használnak. A hagyományos bit csak 0 vagy 1 lehet, míg egy qubit egyszerre lehet 0 és 1 is (ezt szuperpozíciónak hívják). Ez azt jelenti, hogy a kvantumszámítógép sok számítást tud párhuzamosan elvégezni, így bizonyos problémákat sokkal gyorsabban old meg, mint egy hagyományos számítógép. Emellett a qubitek összefonódhatnak (kvantumösszefonódás), ami azt jelenti, hogy egy qubit állapota egy másikhoz kapcsolódhat, még akkor is, ha távol vannak egymástól. Ez tovább növeli a számítási teljesítményt. A kvantumszámítógépek tervezői általában két komoly problémával küzdenek, az egyik, hogy viszonylag kevés qubit-et (a legjobbak 400 körül) képesek kezelni, a másik a már említett instabilitás, ami azt jelenti, hogy mivel a qubitek szuperpozícióban és összefonódásban működnek, a legkisebb zavar (például egy atom rezgése) megszakíthatja ezt az állapotot – ezt nevezzük dekoherenciának. Ha ez megtörténik, a kvantumszámítás hibássá válik, vagy teljesen elveszik az információ. Ezzel szemben a tervezők állításai alapján a Majorana 1-ben használt technológia révén megnyílik a lehetőség az egymillió qubitre történő skálázás előtt.
Ettore Majorana kísérteties öröksége
A Majorana 1 története nem egy laboratóriumban, hanem az 1930-as évek Olaszországában kezdődik. Ettore Majorana, a zseniális, de visszahúzódó fizikus elméletet alkotott egy olyan részecskéről, amely képes lenne saját antianyag-ellenpárjaként viselkedni. Röviddel azután, hogy 1937-ben közzétette ezt az elképzelését, rejtélyes körülmények között eltűnt, és olyan tudományos rejtélyt hagyott maga után, amelynek megfejtése majdnem egy évszázadig tartott.
Majorana részecskéi matematikai kuriózum maradtak egészen a 2000-es évekig, amikor a fizikusok rájöttek, hogy nem önálló részecskékként, hanem „kvázirészecskékként” - speciális anyagokban lévő kollektív gerjesztésekként - létezhetnek. Ezeknek a kvázirészecskéknek, amelyeket később Majorana-nullmódusnak neveztek el, egyedülálló tulajdonságuk van: kvantuminformációjuk térben eloszlik, ami ellenállóvá teszi őket a zavarokkal szemben. Ez a felismerés megalapozta a topológiai kvantumszámítást, egy olyan paradigmát, amelyben az információt e részecskék fonódó mintázataiba kódolják.
2005-ben egy kutatótrió - Michael Freedman (matematikus), Chetan Nayak (fizikus) és Sankar Das Sarma (kondenzált anyag teoretikus) - azt javasolta, hogy a Majorana-nullmódusok segítségével hozzanak létre stabil qubiteket. Elképzelésük: olyan kvantumszámítógépet építeni, ahol a hibákat a fizika törvényei, nem pedig bonyolult szoftveres javítások révén küszöbölik ki. A Microsoft felismerte ezt a lehetőséget, és 2005-ben létrehozta a Station Q-t, egy kutatási részleget, amely a topológiai kvantumszámítógépek megvalósításának szentelte magát.
Miért változtat meg mindent a Majorana 1?
A jelenlegi kvantumszámítógépek (mint például a Google 70 qubites Sycamore-ja), a bonyolult vezérlőrendszerek miatt, futballpálya méretű létesítményeket igényelnek. A Majorana 1 qubitjeit digitálisan, egyszerű feszültségimpulzusokkal vezérlik, így a teljes processzor elfér egy szerverállványban. Ez a méretcsökkenés önmagáért beszél, hiszen ez vezet el egy megfizethető konstrukcióhoz. Egy másik szempont, hogy a hagyományos qubitek (pl. szupravezető hurkok) mikroszekundumok alatt veszítik el a koherenciájukat, a Majorana qubitek viszont nem lokálisan kódolják az információt, így immunisak a helyi zavarokra. A chip topológiai kialakítása ezerszeresére csökkenti a hibaarányt az alternatívákhoz képest, minimalizálva az erőforrás-igényes hibajavítás szükségességét. Ezek olyan erős előnyök, hogy az ipari felhasználhatóság látótávolságba került, azaz öt éven belül a technológia kiléphet a laboratóriumokból.
A korai alkalmazók közé tartozhatnak a gyógyszergyártók, akik kvantumszimulációkat alkalmazva gyorsíthatják fel a gyógyszerkísérleteket. A pénzügyi szektor, ahol a JPMorgan Chase már jelenleg is olyan kvantumalgoritmusokon dolgozik, amelyeket portfólióoptimalizáláshoz kívánnak majd használni.
A Majorana 1 a Microsoft Azure Quantum felhőplatformján keresztül lesz elérhető, így az egyetemek több millió dolláros beruházások nélkül kísérletezhetnek. Az ETH Zürich és az MIT kutatói már használják az Azure-t kvantumos gépi tanulási modellek tesztelésére. A Microsoft jelenleg úgy gondolja, hogy 2028-ban tudják bemutatni a technológiára épülő 10 000 qubites rendszert és 2032-re elérhetik az egymillió qubitet.
Összefoglaló
A Majorana 1 chip több mint technikai vívmány - ez az elméleti fizikától az elméleti valóságig tartó évszázados út csúcspontja. Az Ettore Majorana által megálmodott kísérteties kvantumrészecskék hasznosításával a Microsoft olyan platformot hozott létre, amely újradefiniálhatja az iparágakat, felgyorsíthatja a tudományos felfedezéseket, és megoldhatja az emberiség legnagyobb kihívásait. Ahogy ez a technológia kiérlelődik, hatása a tranzisztor feltalálásával vetekedhet, és egy olyan új korszakot indíthat el, amelyben a kvantumszámítástechnika a laboratóriumi kuriózumból nélkülözhetetlen eszközzé válik.
A Majorana 1 egyik fejlesztője Krysta Svore így fogalmaz:
Ez nem csak a gyorsabb számítógépekről szól, hanem olyan problémák megoldásáról is, amelyekről eddig kénytelenek voltunk tudomást sem venni.
A kvantumszámítás már nem sci-fi. A Majorana 1 segítségével a korábban megoldhatatlannak tartott problémák már elérhető közelségbe kerültek. A következő évtized fogja megmutatni, hogy ez a technológia beváltja-e az ígéretét, de egy dolog biztos: a kvantumos jövő megérkezett.
