Od chipu kwantowego Majorana 1 po w pełni funkcjonalny, praktyczny komputer kwantowy

Ostatnio świat technologii i nauki poruszyło ogłoszenie przez Microsoft nowego układu kwantowego Majorana 1. O samym układzie Microsoft Majorana 1 pisała już u nas Agnieszka, ale chciałbym jeszcze zwrócić waszą uwagę na pewne oświadczenie samego Satyi Nadelli, CEO Microsoftu, który obiecuje w pełni funkcjonalny komputer kwantowy nie za 20 czy 10 lat. Jego zdaniem horyzont czasowy brany pod uwagę to… 3 do 5 lat. W pełni funkcjonalny komputer kwantowy w 2029 roku? Jestem pod wrażeniem.

Na czym polega właściwie wyjątkowość nowego chipu kwantowego Microsoftu?Przede wszystkim na zupełnej zmianie podejścia do tworzenia kubitów, kwantowych jednostek informacji. Dotychczas kubitami były bardzo wrażliwe na jakiekolwiek zakłócenia (fizycy mówią: dekoherencja) zewnętrzne cząstki. Microsoft chwali się tym, że zbudował tzw. topologiczne kubity, oparte na kwazicząstkach zwanych fermionami Majorany. Brzmi skomplikowanie? Bez obaw, poprowadzę was przez tę interesującą ścieżkę, rozbijmy to sobie na kilka części.

Ettore Majorana (fot. domena publiczna)

Czym są fermiony?

Zanim przejdziemy do koncepcji Majorany, na początek krótkie wyjaśnienie, co to takiego te fermiony? Generalnie to fundamentalna kategoria cząstek w fizyce kwantowej, która obejmuje wszystkie podstawowe „cegiełki” materii, z których zbudowana jest rozpoznawalna przez nas część wszechświata. Z pewnością znacie co najmniej kilka z nich. Na pewno słyszeliście ich nazwy: elektron, proton, neutron, kojarzycie prawda? Już zaledwie dwa z tych trzech składników (elektron i proton) wystarczą, żeby powstał atom najprostszego pierwiastka we wszechświecie: wodoru.

Cała reszta, w olbrzymim uproszczeniu, to po prostu więcej tych cegiełek. Fermionów jest oczywiście więcej poza wymienioną trójką. Do tej kategorii zaliczamy m.in. neutrino elektronowe czy np. kwarki (stanowiące z kolei budulec większych cząstek, takich jak wspomniany proton i neutron, a także innych cząstek zwanych hadronami). Z kolei fermionem nie jest foton, również na pewno znana wam cząstka, zwana kwantem światła. Foton jest bozonem. Fizycy odróżniają fermiony od bozonów m.in. na podstawie spinu, fermiony mają zawsze spin połówkowy (nieparzysta liczba podzielona przez dwa, np. spin elektronu to 1/2) i podlegają tzw. zakazowi Pauliego (ujmując go najprościej: dwie identyczne cząstki nie mogą zajmować dokładnie tego samego miejsca i stanu w tym samym czasie). Z kolei wszystkie bozony (m.in. foton) mają spin całkowity i nie podlegają zakazowi Pauliego. Wróćmy jednak do fermionów, wszak w kontekście nowego układu kwantowego interesuje nas ich szczególny rodzaj.

Tajemnicze fermiony Majorany

Fermiony Majorany to hipotetyczne cząstki – a dokładniej kwazicząstki – które po raz pierwszy zaproponował włoski fizyk Ettore Majorana w 1937 roku. Są one wyjątkowe, ponieważ są swoimi własnymi antycząstkami (tak, wiem, fizyka kwantowa jest dziwna). W praktyce oznacza to, że fermion Majorany może „spotkać się” sam ze sobą i albo się unicestwić, albo istnieć stabilnie, co czyni je interesującymi właśnie w kontekście obliczeń kwantowych. Otóż aby fermiony Majorany zachowywały się stabilnie, muszą być niejako chronione przez pewne właściwości topologiczne. Innymi słowy ich istnienie jest związane ze strukturą przestrzenną, która uniemożliwia im anihilację.

I tu dochodzimy do sedna sukcesu naukowców i inżynierów Microsoftu, udało im się opracować materiał, w którym fermiony Majorany mogą pojawiać się jako stany emergentne. Czyli w uproszczeniu pojedynczy fermion Majorany jest kompletnie nieprzydatny, ale już topologiczna struktura wiążąca fermiony Majorany wyróżnia się zaskakującymi właściwościami z perspektywy zastosowań do obliczeń kwantowych. I to właśnie udało się ekspertom z Microsoftu, zbudowali oni nadprzewodniki topologiczne.

W kontekście układu Majorana 1 Microsoft twierdzi, że udało im się wywołać i kontrolować tzw. Majorana Zero Modes (MZM), czyli stany kwazicząstek Majorany na końcach specjalnie zaprojektowanych nanodrutów wykonanych z arsenku indu i aluminium. Dzięki wspomnianym właściwościom topologicznym te stany są stabilne, a właśnie stabilność jest tym, czego najbardziej poszukują dziś zespoły na całym świecie pracujące nad komputerami kwantowymi.

O co chodzi z tą stabilnością kubitów?

Mam nadzieję, że orientujesz się czym są kubity, ale na wszelki wypadek krótkie przypomnienie. W informatyce klasycznej informacja jest przechowywana za pomocą bitów (0 lub 1). Komputery kwantowe wykorzystują kubity, które są oparte na zasadach mechaniki kwantowej. Kubit, w przeciwieństwie do bitu, może istnieć w superpozycji, czyli być jednocześnie w stanie 0 i 1. To trochę tak, jakby moneta kręciła się w powietrzu – jest jednocześnie orłem i reszką, dopóki nie upadnie. Dzięki superpozycji kubity mogą przechowywać i przetwarzać znacznie więcej informacji niż bity. Dodatkowo, kubity mogą być splątane, co oznacza, że ich stany są ze sobą powiązane. Splątanie pozwala na wykonywanie obliczeń, które są niemożliwe dla komputerów klasycznych. To nieintuicyjne, ale cóż, fizyka kwantowa jest nieintuicyjna dla naszych makroskopowych struktur białkowych pod czaszką.

Problem ze stabilnością kubitów polega na tym, że są one niezwykle delikatne i łatwo tracą swoją „kwantowość” pod wpływem oddziaływania z otoczeniem. Kubity są niezwykle wrażliwe na jakiekolwiek zakłócenia, nawet najmniejsze. Wyobraź sobie bardzo precyzyjny balans, który łatwo wytrącić z równowagi – tak właśnie zachowuje się kubit. To znaczy, że kubit musi być idealnie odizolowany od otoczenia, aby zachować swój stan kwantowy. Im dłużej utrzymujemy stan kwantowy kubitu, tym dłużej może on pracować na rzecz wykonywanego na nim algorytmu kwantowego. Jak poznać jego wynik? Musimy wtedy celowo zburzyć tę równowagę.

Jak to? Ano właśnie tak. Paradoksalnie w obliczeniach kwantowych aby poznać wynik obliczeń musimy zmierzyć wartość kubitów. W fizyce kwantowej pomiar cząstki oznacza dekoherencję, czyli załamanie funkcji falowej, znika superpozycja i właściwości kwantowe kubitu, a my odczytujemy pomiar kubitu i mamy wynik kwantowego algorytmu. Pomiar wymusza na kubicie wybór jednego konkretnego stanu (0 lub 1), co powoduje utratę superpozycji.

Niestety, najczęściej jest tak, że nawet przy niezwykle wyszukanych warunkach (nadprzewodniki, temperatury bliskie zera absolutnego, minimalizacja jakichkolwiek oddziaływań) bardzo trudno było utrzymać stabilny stan kubitów aż do zakończenia pożądanych obliczeń. Dekoherencja występowała przed zakończeniem algorytmu kwantowego co w efekcie prowadziło do fiaska: kubity rozpoczęły pracę, ale ze względu na zakłócenia nie ukończyły zadania. Dlatego właśnie utrzymanie stabilności kubitów przez wystarczająco długi czas, aby przeprowadzić obliczenia, jest tak trudne. Wygląda na to, że Microsoft wpadł na to, jak rzecz znacząco ułatwić, właśnie dzięki topologicznym kubitom opartym na kwazicząstkach Majorany.

Co to są topologiczne kubity?

Być może znacie powiedzenie Szaleństwem jest robić wciąż to samo i oczekiwać różnych rezultatów. Słowa te często są przypisywane Albertowi Einsteinowi, choć najprawdopodobniej niesłusznie (brak dowodów na to, że faktycznie Albert Einstein użył takiej frazy). Niemniej wspominam te słowa nie bez przyczyny. Microsoft nie był szalony. Nie próbował „starego” i mozolnego podejścia: walki z dekoherencją podczas coraz bardziej wymagający projekt odizolowanego środowiska dla kubitów, czy wymyślania na nowo zaawansowanej kwantowej korekcji błędów (co najczęściej wymaga jeszcze większej liczby kubitów, a więcej kubitów to większe szanse na dekoherencję i mamy istne błędne koło). Nie, Microsoft obrał inną drogę, wykorzystując topologiczne kubity.

Topologiczne kubity opierają się na fermionach Majorany i ich unikalnych właściwościach. W uproszczeniu: para fermionów Majorany na końcach nanodrutu tworzy kubit, którego stan kwantowy jest „rozłożony” między te dwa punkty. Tym samym kubitem nie jest jedna cząstka utrzymywana olbrzymim wysiłkiem w superpozycji, lecz para kwazicząstek. Dzięki temu informacje są chronione przez topologię – matematyczną własność układu, która sprawia, że kubity są mniej podatne na lokalne zakłócenia. Wyobraź sobie to jak splot lin: możesz przesuwać poszczególne nitki, ale dopóki splot się nie rozplątuje, całość pozostaje spójna. To właśnie stabilność topologiczna.

Majorana 1 wykorzystuje coś, co Microsoft nazywa „topokonduktorem” – nową formą materiału (niektórzy mówią wręcz o nowej formie materii), która łączy nadprzewodnictwo z topologicznymi właściwościami. Dzięki temu mogą obserwować i manipulować fermionami Majorany, tworząc bardziej niezawodne kubity. Podobno dużo bardziej niezawodne od dotychczasowych rozwiązań.

Dlaczego to przełom?

W zasadzie jeden argument już przećwiczyliśmy, chodzi o wspomnianą stabilność kubitów. Tradycyjne kubity (np. oparte na nadprzewodnikach czy pułapkach jonowych) są niestabilne i wymagają ekstremalnie niskich temperatur oraz ciągłej korekcji błędów. Topologiczne kubity w Majorana 1 są z samej swojej fizycznej natury bardziej odporne na zakłócenia, co może uprościć konstrukcję komputerów kwantowych.

Z tego progresu stabilności wynika kolejny argument przemawiający za przełomem: skalowalność. Skoro udało się zbudować chip zdolny do przechowania użytecznych 8 kubitów z kwazicząstek, zbudowanie maszyny zdolnej do wykorzystania znacznie większej liczby kubitów staje się realnie wykonalne. O jakiej liczbie mówimy? I tu zaczyna robić się ciekawie. Microsoft twierdzi, że ich architektura pozwala zmieścić nawet milion kubitów na jednym chipie wielkości dłoni. Dla porównania, obecne komputery kwantowe mają dziesiątki lub setki kubitów (np. opisywany na naszych łamach chip kwantowy Google o nazwie Willow ma tych kubitów 105), a zwiększanie ich liczby, co już wcześniej sygnalizowałem, zwykle dramatycznie podnosi poziom błędów. Jeśli Majorana 1 faktycznie skaluje się tak dobrze, jak obiecują przedstawiciele giganta z Redmond, może to być bardzo duży krok w stronę praktycznych, komercyjnych komputerów kwantowych.

To wciąż nie wszystko, podobno Majorana 1 używa impulsów napięcia do sterowania kubitami, co przypomina sterowanie klasycznymi procesorami. W przypadku innych konstrukcji kwantowych (pułapki jonowe, nadprzewodniki, etc.) kubity wymagają ultraprecyzyjnego, analogowego dostrajania.

Wreszcie warto zaznaczyć, że stworzenie „topokonduktora” czyli materiału, który nie jest ani ciałem stałym, cieczą, ani gazem w klasycznym sensie, ale nowym stanem topologicznym, to nie tylko przełom technologiczny, ale i naukowy. Naukowy przede wszystkim dlatego, że stanowi w pewnym sensie dowód na istnienie w ogóle fermionów Majorany, kwazicząstek dotychczas postulowanych jedynie hipotetycznie. Na dodatek potwierdza nie tylko ich istnienie, ale i ich praktyczną użyteczność.

Dr Chetan Nayak, fizyk, specjalizujący się w obliczeniach kwantowych przekonuje, że tym razem się udało (fot. Microsoft)

Majorana 1 – od dekad do kilku lat, ale czy faktycznie?

Jeżeli faktycznie jest tak, jak twierdzą przedstawiciele Microsoftu z samym Satyą Nadellą na czele, że Microsoft naprawdę opanował technologię fermionów Majorany i topologicznych kubitów, może to istotnie skrócić drogę do użytecznych komputerów kwantowych z dekad do kilku lat. Takie maszyny mogłyby rozwiązywać problemy, które dla klasycznych komputerów są niewykonalne – np. projektowanie nowych leków, łamanie szyfrów czy symulacje klimatyczne o skali i zakresie niewykonalnym dziś dla najpotężniejszych superkomputerów. CEO Microsoftu, Satya Nadella wyraźnie wspomniał o potencjalnym horyzoncie czasowym 2027-2029 dla praktycznych zastosowań.

Jednak deklaracje CEO (od czasu licznych ogłoszeń Elona Muska, podchodzę do nich z pewną rezerwą) to jedno, o tyle trudności definiowane przez samą naukę i prawa fizyki, to drugie. Niektórzy fizycy wskazują, że dowody Microsoftu nie są jeszcze jednoznaczne i niekoniecznie potwierdzają pełne istnienie fermionów Majorany w sposób niepodważalny. Na przykład fizyk teoretyczny Jay Sau z Uniwersytetu Maryland zauważył, że dowody są wstępne i nie stanowią jednoznacznego potwierdzenia przełomu. Podobnie Vlad Pribiag, fizyk z Uniwersytetu Minnesoty, podkreślił potrzebę dokładnej analizy danych i solidnych dowodów przed uznaniem odkrycia za pewne. Mimo to, główny badacz Microsoftu, Chetan Nayak, pozostaje pewny wyników, wskazując na 95% prawdopodobieństwo wystąpienia aktywności topologicznej w ich pomiarach. Nie zmienia to jednak zasadniczego faktu, nawet zakładając pozytywnie, że istotnie udało się dokonać ważnego odkrycia i zaprząc do praktycznej i użytecznej pracy cząstki uważane dotychczas za hipotetyczne przez wielu fizyków, to droga od prototypu z 8 kubitami (tyle ma chip Majorana 1) do miliona kubitów obiecywanego przez przedstawicieli Microsoftu wciąż wymaga ogromnej pracy inżynieryjnej. To, czy technologia się sprawdzi, zależy od dalszych testów i skalowania. Jednego jestem pewien, żyjemy w ciekawych czasach.

Jeśli artykuł Od chipu kwantowego Majorana 1 po w pełni funkcjonalny, praktyczny komputer kwantowy nie wygląda prawidłowo w Twoim czytniku RSS, to zobacz go na iMagazine.