Microsoft Araştırması ilan edildi kuantum hesaplama arayışında büyük bir atılım – daha önce teori dünyasından hiç ayrılmamış yeni bir tür kübitin temeli… ve hala bırakmadı. Microsoft nihayetinde hala yeni qubit tasarımına dayalı cihazlar üretmedi, ancak Microsoft’un içinde ve dışında muazzam simülasyonlar tarafından üretilen kanıtlarla fizibilitelerine güvenilirlik katıyor. Azure Kuantum bulut altyapısı. Microsoft’un kuantum hesaplama konusundaki araştırması, özel, egzotik bir kübit türüne odaklanıyor. topolojik kübitler, 2016’dan beri kuantumun geleceğine aracı olarak lanse etti.
Microsoft’un bu alandaki yatırımlarına rağmen, şirketten nispeten az haber alındı. Ayrıca, Microsoft’un teknoloji devi rakipleri Google ve IBM ile Microsoft’tan çok daha küçük şirketler, Riggetti Computing ve IonQ gibi, kuantum bilgi işlem sistemlerini zaten devreye soktular, oysa Microsoft kullanmadı. Yani biri öyle düşünebilir iki trilyon dolarlık Microsoft ölçeklenebilir kuantum hesaplamaya yönelik yarışta ayaklarını sürüklüyor.
Daha Az Gidilen Yol
Ancak Microsoft, rakiplerinin yapmayacağı bir tür kübitin peşinden gitmeyi seçtiğini söyleyecektir. Topolojik kübitlerin başlangıçta 2018 Nature dergisi yayınında var olduğu kanıtlandı ve daha sonra orijinal araştırmacılar olarak onaylanmadı. makaleyi geri çekti “Orijinal el yazmamızdaki yetersiz bilimsel titizlik için.”
Microsoft, yalnızca topolojik kübitlerin gerçek olmanın eşiğinde olduğunu göstermekle kalmıyor: şirket, nihayetinde sürdürülebilir, ölçeklenebilir (milyonlarca koşumlanmış kübit ayarına göre) ve nihayetinde anlamlı kuantum hesaplama için şu anda geçerli olan tek bahis olduklarını söylüyor.
“Bugünün kübitleri yarının kuantum bilgisayarlarının temeli olmayacak.” Microsoft’un Seçkin Mühendisi Chetan Nayak, Ars Technica’ya söyledi. “Bugün sahip olduğumuz kübitler çok ilginç, çok etkileyici – çok şey öğrenebilir, çok fazla araştırma yapabilir ve kademeli olarak iyi ilerleme kaydedebilirsiniz. Ancak ticari ölçekte bir kuantum bilgisayar yapmak için bir tür yeni fikir gerekli olacak.”
Tek bir cihazdaki en yüksek kübit sayısı için dünyanın rekoru olan IBM’in Eagle’ı şu anda 127 adreslenebilir kübit ile duruyor – Microsoft’un ihtiyaç duyacağını beklediği milyon kübit rakamından çok uzak. IBM, transmon tabanlı kübitler kullandığından, kübitleri çevresel parazitlerden korumak için şirketin cihazlarının mutlak sıfıra (-273.15 ºC) soğutulması gerekiyor.
Dikkat edilmesi gereken bir diğer unsur ise, topolojik olmayan kübitlerin uyumsuzluğa özellikle duyarlı olması nedeniyle, bu kuantum mimarileri genellikle, tek işlevi hata düzeltme yeteneklerinin bir ölçüsünü sağlamak olan, yani doğrudan hesaplamalarda kullanılmadıkları anlamına gelen ek kübitler içerir. Bu, özellikle kübit sayısını ölçeklendirmedeki mevcut zorluklar düşünüldüğünde verimsizdir. Bu nedenle, Microsoft’un uzun bir yol kat etme seçimi. Ama bu uzun yol nedir – neler topolojik kübitler?
İspatın Yokluğu ≠ Yokluğun İspatı
Topolojik kübitler hakkında hatırlanması gereken ilk şey, henüz gerçekleşmemiş olmalarıdır. Bunun yerine, (burada daha ayrıntılı olarak ele aldığımız ve araştırdığımız gibi), doğal olarak bir elektronun yalnızca yarısıymış gibi davranan özel bir yarı parçacık türü olan Majorana sıfır modlarının (MZM’ler) çiftleri olarak var oldukları kuramlaştırılmıştır. Bu MZM’lerin süper iletken malzemelerin yüzeyinde bir tabaka olarak biriktiği ve çevresel gürültüye (ısı, başıboş atom altı parçacıklar veya manyetik alanlar gibi) karşı aşırı dayanıklılık sergilediği gösterilmiştir. Kontrolsüz bırakılırsa veya buna karşı tasarlanmazsa, bu çevresel gürültü uyumsuzluğa yol açar – kübitlerin süperpozisyon durumundan çıkıp değerlerini ortaya çıkardığı süreç. Kübitler değerlerini çok erken ortaya çıkardığında, hesaplama tamamlanmadan önce bir hata görünür.
Microsoft’un topolojik kübit tasarımı, her iki ucunda bir Majorana sıfır modu olan U şeklinde bir kabloya sahiptir, böylece bir kuantum noktasına yakın fiziksel ayırma sağlar. Bu kuantum noktası, bir kontrol mekanizması olarak hizmet eder, çünkü kapasitansı, Majorana sıfır modlarından herhangi biriyle etkileşime girdiğinde, ölçülmesine izin verir. Bu, Microsoft’un hala çözemediği kısım: tasarımında hala bir kuantum noktası bulunmuyor.
Topolojik kübitlerin esnekliği, her iki MZM’nin (Microsoft’un tasarımında, U-şekilli telin her iki ucunda) kuantum bilgisini kodlamaktan sorumlu olduğu gerçeğinden gelir. Bununla birlikte, bilgiye yalnızca her iki yarıparçacığın durumlarına aynı anda bakılarak ulaşılabildiğinden, kübitin durumu, her iki MZM de eşit şekilde etkilenmediği ve içeriklerini açıklamaya “zorlanmadığı” sürece uyumsuz olmaz. Ve mühendislik tasarımına bağlı olarak, araştırmacılar MZM’ler arasında bir mesafe ölçüsü sağlayarak, aralarında her iki parçacığın dekohering şansını azaltan bir boşluk yaratabilir.
Bunu daha iyi görselleştirmek için, birinci sınıf bir kötü adam olduğunuzu ve kıyamet günü cihazınızın şifresini bir kağıda yazdığınızı hayal edin. Daha sonra yarısını güvendiğiniz iki astınıza verirsiniz (sonsuza kadar unutmadan önce). Ne olursa olsun, bilgileri açığa çıkarmak için hangi yöntemler uygulanırsa uygulansın hiçbiri şifreyi ifşa edemez. Kuantum terimleriyle, bilgi yerel olmayan hale geldi. Birinin tam parolanızı kurtarmasının tek yolu, her iki bilgiyi de alıp nihai sonucu ortaya çıkarmak için bir araya getirmektir. Son derece basitleştirilmiş bir şekilde, MZM’lere uyumsuzluğa karşı dayanıklılık kazandıran şey budur.
Tüm bunlara izin veren son süper iletken tel tasarımını elde etmek için, Microsoft’un araştırmasının malzemeleri ve şekillerini 23 ayarlanabilir parametrede simüle etmesi gerekiyordu. Bu adım, muazzam miktarda bilgi işlem gücü gerektirir, ancak Microsoft, Azure ile dünyanın en güçlü bilgi işlem ağlarından birine sahiptir. Ek olarak, simülasyonlar Microsoft’un ekibinin her iki cephede de hızlı bir şekilde yineleme yapmasına izin verdi; bu, malzeme mühendisliğine stok, uygulamalı bir yaklaşımla gerçekleştirilemeyecek bir süreçti. Nayak’a göre, “Eğer sıralamak zorunda kalsaydınız [the materials] deneme yanılma yoluyla deneysel olarak, tüm bu parametreleri makul bir süre içinde asla optimize edemezsiniz.”
Nihayetinde Microsoft, süper iletken tel olarak alüminyuma ve onu çevreleyen yarı iletken olarak indiyum arsenit’e karar verdi ve şirket, cihazları kendisi üretiyor. Bu yeni veri ve malzeme odaklı yaklaşım, Microsoft’un kuantum hesaplama yaklaşımını bir arada tutan yapıştırıcı olmuştur.
Nayak, “Artık sadece bir konferans odasında fikirlerle uğraşan biri değil, simülasyonlara dayalı tasarımlar tarafından yönlendiriliyoruz” dedi. “Artık bu fikirleri hayata geçirmek için benzersiz büyüme ve üretim teknolojilerine sahibiz. Dünyanın en iyi tasarımlarına sahip olup olmamanız önemli değil – onları yapamıyorsanız, sadece kağıt üzerinde kalırlar.”
Görünüşe göre Microsoft’un bir donanım sağlayıcısı olma niyeti Xbox ve onun cihazlar bölümünün ötesine geçiyor – şirket, hem şirket içi kurulumlar hem de bulut ortamlarında kuantum bilgi işlem sistemleri için temel donanımı sağlayan kişi olmak istiyor. Microsoft’un kuantum donanımı, varsayımsal bir Apple “iQuantum” ürününe güç sağlayabilir. Teoride tabii.
Geleceğin Bilgisayarı
Microsoft, gelecekteki topolojik kübitler tarafından desteklenen makinelerin işlem yoğunluğuna ilişkin beklentilere sahiptir: Microsoft, bu kübitlerin bir milyonunun, bir kredi kartındaki güvenlik çipinden daha küçük bir gofrete sığabileceğini söylüyor. Yine transistör devrimi, ama kübitlerle.
Microsoft’un hala çalışan bir kuantum hesaplama ürünü sunmamasına rağmen, bunun teorik fizik, pratik mühendislik ve saf ekonomi arasındaki kabus gibi bir kesişme sırasında mümkün olan en karmaşık alanlardan biri olduğunu hatırlamalıyız. Ancak zaman açısından kritik bir faktör de var: şirket, 76 milyar dolara varan bir değere sahip olduğu tahmin edilen bir pazardan vazgeçiyor. 2030’a kadar. Ama yine de, Microsoft gerçekten herkesten önce açıkça ölçeklenebilir bir kuantum hesaplama sistemi sunarsa, pazarda kimin ilk hareket ettiği umrunda olmaz.
Kuantum hesaplama alanındaki uzmanlar, kuantum hesaplama sistemleri için statükonun hala ne kadar zayıf olduğunun daha da farkındalar. O zamandan beri geri çekilen 2018 Nature yayınının eleştirmenlerinden biri olan Marco Valentini, Majorana Modes’in nihayetinde yaratılacağına, tespit edileceğine ve kübitler olarak kullanılacağına inanıyordu – tıpkı geri çekilen 2018 makalesinde sunulduğu gibi değil.
Aynı makale, bağımsız bir uzmanlar komitesi tarafından yürütülen ve verilerin tahrif edildiğine dair hiçbir kanıt bulamayan bir soruşturmaya konu oldu. Sonunda, en yaygın hata nedeni buydu: insan başarısızlığı. Raporun yazarlarının “Yazarların ortaya koyduğu araştırma programı özellikle kendi kendini aldatmaya karşı savunmasız ve yazarlar buna karşı koruma sağlamadı” şeklinde yazdığı gibi, orijinal veriler doğrulama yanlılığına düştü.
Microsoft, kübit seçimiyle neyin tehlikede olduğunu biliyor – ve makaleyi çevreleyen tüm drama patladığında zaten araştırmasının derinliklerine dalmıştı. Belki de bu nedenle, Microsoft sonuçlarını savunmaya heveslidir: Şirketin araştırma kanadı, doğrulama yanlılığından kaçınmak için çıktı verilerini tam olarak analiz etmek için ayrı bir ekibe sahipti. Ve şirket ayrıca araştırma verilerini “bağımsız danışmanlardan oluşan uzman bir konseye” sundu; bu, alandaki seçkin meslektaşları araştırmacının çalışmasına yapıcı bir şekilde bakmaya davet etmeye çok benziyor. Microsoft, çabalarını önceki kusurlardan yalıtmaya çalışırken topolojik kübit araştırmasına devam ediyor.
İsrail, Rehovot’taki Weizmann Bilim Enstitüsü’nden Ady Stern, “Tek yolu zaten bildiğimize göre, şimdi karar vermek fizik camiasının sorumsuzluğu olur” dedi. Quanta Dergisi’ne anlattı. “Bir gerilim filminin 10. sayfasındayız ve nasıl biteceğini tahmin etmeye çalışıyoruz.”
Microsoft, topolojik kübitleri ile kuantum formatı çatışmasının BluRay’i olmayı hedefliyor. Ve belki de öyle olacak – şirket, hesaplanmış seçiminin ardındaki fiziğe ikna olmuş görünüyor. Her zamanki gibi zaman gösterecek.