Microsoft: Průlom v kvantovém počítání se „zcela novým stavem hmoty“

To, co před pár lety vyžadovalo více místa než osmnáctistovka, aby uhrálo i tisíc yardů, nyní Microsoft sbalil do čipu o velikosti dlaně. Tohoto průlomu bylo dosaženo díky objevu „zcela nového stavu hmoty“. Pro srovnání, největší tradiční superpočítač na světě, který vykonává 1 742 petaFLOPS, je snadno překonán 50qubitovým kvantovým počítačem, ale každý přidaný qubit zvyšuje výkon exponenciálně; čip o velikosti dlaně by tak mohl překonat výkon 20 000 superpočítačů.

Přístup Microsoftu v zásadě snadno odstraní jakékoli současné omezení. Pokud na trh přijdou miliony těchto čipů, představte si, co by se stalo s AI? Bude ovládat svět, ne naopak.

Patrick Wood, redaktor.

Klíčové myšlenky:

• Microsoft představuje Majorana 1, první kvantový čip s architekturou topologického jádra.
• Čip využívá nový topovodičový materiál k ovládání částic Majorana pro spolehlivější qubity.
• Tato architektura si klade za cíl škálovat jeden milion qubitů na jediném čipu a řešit tak složité průmyslové a společenské problémy.
• Konstrukce zahrnuje odolnost proti chybám na úrovni hardwaru pro zvýšenou stabilitu.
• Společnost Microsoft je součástí programu DARPA pro vývoj kvantových počítačů odolných vůči chybám v užitkovém měřítku.

Čip Majorana 1 od Microsoftu otevírá novou cestu pro kvantové počítače

Společnost Microsoft dnes představila Majorana 1, první kvantový čip na světě poháněný novou architekturou topologického jádra, od které se očekává, že umožní kvantovým počítačům schopným řešit významné problémy v průmyslovém měřítku v řádu let, nikoli desetiletí.

Využívá první topovodič na světě, převratný materiál, který dokáže pozorovat a řídit částice Majorana k vytvoření spolehlivějších a škálovatelnějších qubitů, které jsou stavebními kameny kvantových počítačů.

Stejně jako vynález polovodičů umožnil dnešní smartphony, počítače a elektronická zařízení, topovodiče a nový typ čipů, které umožňují, nabízejí cestu k vývoji kvantových systémů, které se mohou škálovat na milion qubitů a jsou schopny řešit nejsložitější průmyslové a společenské problémy, řekl Microsoft.

„Udělali jsme krok zpět a řekli jsme: ‚Dobře, pojďme vymyslet tranzistor pro kvantový věk. Jaké funkce musí mít?’“ řekl Chetan Nayak, technický pracovník společnosti Microsoft. „A tak jsme se sem skutečně dostali – je to speciální kombinace, kvalita a důležité detaily v našem novém zásobníku materiálů, které umožnily nový typ qubit a nakonec celou naši architekturu.“

Tato nová architektura použitá k vývoji procesoru Majorana-1 poskytuje podle Microsoftu jasnou cestu k zabalení milionu qubitů do jediného čipu, který se vám vejde do dlaně. To je nezbytný práh pro kvantové počítače pro poskytování transformativních, realistických řešení – jako je rozklad mikroplastů na neškodné vedlejší produkty nebo vynalézání samoopravných materiálů pro stavebnictví, výrobu nebo zdravotnictví. Všechny současné počítače na světě dohromady nemohou dosáhnout toho, co kvantový počítač s milionem qubitů.

„Ať už děláte v kvantové říši cokoli, musí existovat cesta k milionu qubitů. Pokud ne, narazíte na limit, než se dostanete na stupnici, kde můžete vyřešit skutečně důležité problémy, které nás motivují,“ řekl Nayak. „Vlastně jsme našli cestu k milionu.“

Topovodič neboli topologický supravodič je speciální kategorie materiálu, která dokáže vytvořit zcela nové skupenství hmoty – nikoli skupenství pevné, kapalné nebo plynné, ale skupenství topologické. To se používá k vytvoření stabilnějšího qubitu, který je rychlý, malý a lze jej digitálně ovládat bez kompromisů, které vyžadují současné alternativy. Nový článek publikovaný ve středu v Nature popisuje, jak se výzkumníkům Microsoftu podařilo vytvořit exotické kvantové vlastnosti topologického qubitu a také je přesně změřit – nezbytný krok pro praktickou aplikaci kvantového počítání.

Tento průlom si vyžádal vývoj zcela nového materiálového bloku vyrobeného z arsenidu india a hliníku, z nichž velká část Microsoft navrhla a vyrobila atom po atomu. Cílem bylo vytvořit nové kvantové částice zvané Majoranas a využít jejich jedinečných vlastností k dosažení další hranice kvantového počítání, řekl Microsoft.

První topologické jádro na světě, které pohání Majorana 1, je v zásadě spolehlivé a má odolnost proti chybám na úrovni hardwaru, díky čemuž je stabilnější.

Komerčně důležité aplikace budou také vyžadovat biliony operací na milionu qubitů, což by nebylo možné se současnými přístupy, které spoléhají na jemně vyladěné analogové řízení každého qubitu. Nový přístup týmu Microsoft k měření umožňuje digitální řízení qubitů a nově definuje a výrazně zjednodušuje, jak funguje kvantové počítání.

Tento pokrok potvrzuje rozhodnutí společnosti Microsoft před lety realizovat topologický qubit design – vysoce rizikovou vědeckou a inženýrskou výzvu s vysokou odměnou, která se nyní vyplácí. Dnes společnost umístila osm topologických qubitů na čip, který lze škálovat na jeden milion.

„Od začátku jsme chtěli vyvinout kvantový počítač pro komerční použití, nejen jako myšlenkový vůdce,“ řekl Matthias Troyer, technický zaměstnanec společnosti Microsoft. „Věděli jsme, že potřebujeme nový qubit. Věděli jsme, že musíme škálovat.“

Tento přístup podnítil Agenturu pro obranné pokročilé výzkumné projekty (DARPA), federální agenturu, která investuje do průlomových technologií důležitých pro národní bezpečnost, k přihlášení společnosti Microsoft do přísného programu, jehož cílem je vyhodnotit, zda inovativní kvantové výpočetní technologie dokážou vybudovat komerčně relevantní kvantové systémy rychleji, než se dříve předpokládalo.

Microsoft je nyní jednou ze dvou společností, které byly vyzvány, aby vstoupily do závěrečné fáze programu DARPA Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC) – jednoho z programů, které jsou součástí větší iniciativy DARPA Quantum Benchmarking Initiative, jejímž cílem je poskytnout první kvantový počítač v průmyslovém měřítku s vysokou odolností proti chybám nebo počítač, jehož nákladová hodnota je výpočetní.

„Prostě ti dá odpověď“

Kromě výroby vlastního kvantového hardwaru se Microsoft spojil s Quantinuum a Atom Computing s cílem dosáhnout vědeckých a technických průlomů pomocí dnešních qubitů, včetně oznámení prvního spolehlivého kvantového počítače v tomto odvětví v loňském roce.

Tyto typy strojů nabízejí důležité příležitosti pro rozvoj kvantových schopností, vytváření hybridních aplikací a podporu nových objevů, zvláště když je AI kombinována s novými kvantovými systémy poháněnými větším počtem spolehlivých qubitů. Azure Quantum dnes nabízí sadu integrovaných řešení, která zákazníkům umožňují využívat tyto přední AI, vysoce výkonné výpočetní a kvantové platformy v Azure k pokroku ve vědeckém objevování.

K dosažení dalšího horizontu kvantového počítání je však zapotřebí kvantová architektura, která může poskytnout milion qubitů nebo více a provádět biliony rychlých a spolehlivých operací. Dnešní oznámení dává tento horizont na dosah, ne desetiletí, říká Microsoft.

Protože mohou používat kvantovou mechaniku k matematickému modelování chování přírody s neuvěřitelnou přesností – od chemických reakcí přes molekulární interakce až po energie enzymů – stroje s miliony qubitů by měly být schopny řešit určité typy problémů v chemii, nauce o materiálech a dalších průmyslových odvětvích, které jsou mimo přesnost dnešních klasických počítačů.

• Mohly by například pomoci vyřešit složitou chemickou otázku, proč materiály korodují nebo praskají. To by mohlo vést k samoopravitelným materiálům, které opravují praskliny na mostech nebo součástech letadel, rozbité obrazovky mobilních telefonů nebo poškrábané dveře auta.
• Protože existuje tolik druhů plastů, není v současné době možné najít jednotný katalyzátor, který by je dokázal rozložit – což je zvláště důležité pro odstranění mikroplastů nebo boj proti znečištění uhlíkem. Kvantové počítače by mohly vypočítat vlastnosti takových katalyzátorů pro přeměnu znečišťujících látek na cenné vedlejší produkty nebo vyvinout netoxické alternativy.
• Enzymy, druh biologického katalyzátoru, by mohly být efektivněji využívány ve zdravotnictví a zemědělství díky přesným výpočtům jejich chování, které mohou poskytnout pouze kvantové počítače. To by mohlo vést k průlomům v ukončení světového hladu: ke zvýšení úrodnosti půdy ke zvýšení výnosů nebo podpoře udržitelného růstu potravin v drsných klimatických podmínkách.

A co je nejdůležitější, kvantové výpočty by mohly umožnit inženýrům, vědcům, společnostem a dalším jednoduše navrhovat věci správně hned napoprvé – což by bylo kritické pro vše od zdravotnictví po vývoj produktů. Síla kvantového počítání v kombinaci s nástroji AI by někomu umožnila jednoduchým jazykem popsat, jaký druh nového materiálu nebo molekuly chce vyrobit, a získat odpověď, která funguje okamžitě – bez dohadů nebo let pokusů a omylů.

„Každá společnost, která něco vyrábí, by to mohla dokonale navrhnout hned napoprvé. Jen by vám to dalo odpověď,“ řekl Troyer. „Kvantový počítač učí AI jazyk přírody, takže AI vám může jednoduše říct recept na to, co chcete vyrobit.“

Přehodnocení kvantových počítačů ve velkém měřítku

Kvantový svět funguje podle zákonů kvantové mechaniky, což nejsou stejné fyzikální zákony, které řídí svět, který vidíme. Částice se nazývají qubity nebo kvantové bity, analogicky k bitům nebo jedničkám a nulám, které dnes používají počítače.

Qubity jsou choulostivé a vysoce náchylné k poruchám a chybám ze svého prostředí, což způsobuje jejich rozpad a ztrátu informací. Jejich stav může být ovlivněn i měřením – problém, protože měření jsou nezbytná pro zpracování dat. Neodmyslitelnou výzvou je vyvinout qubit, který lze měřit a řídit a zároveň poskytuje ochranu před okolním hlukem, který by jej zkresloval.

Qubity lze vytvářet různými způsoby, z nichž každý má své výhody a nevýhody. Před téměř 20 lety se Microsoft rozhodl pro jedinečný přístup: vývoj topologických qubitů, o kterých se domníval, že poskytnou stabilnější qubity, které vyžadují méně oprav chyb, a tak nabízejí výhody v rychlosti, velikosti a ovladatelnosti. Tento přístup představoval strmou křivku učení, která vyžadovala neprozkoumané vědecké a inženýrské průlomy, ale také nejslibnější cestu k vytváření škálovatelných a kontrolovatelných qubitů schopných komerčně hodnotné práce.

Nevýhodou je – nebo bylo –, že exotické částice, které chtěl Microsoft použít, takzvané Majorany, nebyly až donedávna nikdy viděny ani vyráběny. V přírodě se nevyskytují a lze je přilákat k existenci pouze pomocí magnetických polí a supravodičů. Obtížnost vývoje správných materiálů pro vytvoření exotických částic a související topologický stav hmoty je důvodem, proč se většina kvantového úsilí zaměřila na jiné typy qubitů.

Publikace Nature je recenzovaným potvrzením, že Microsoft dokázal nejen vytvořit částice Majorana, které pomáhají chránit kvantové informace před náhodným rušením, ale také tyto informace spolehlivě měřit pomocí mikrovln.

Majorany skrývají kvantové informace, díky čemuž jsou robustnější, ale také obtížněji měřitelné. Nový přístup týmu Microsoftu k měření je tak přesný, že dokáže rozlišit mezi miliardou a miliardou a jedním elektronem v supravodivém drátu – což počítači říká, v jakém stavu je qubit, a tvoří základ pro kvantové výpočty.

Měření lze zapínat a vypínat pomocí napěťových impulzů, jako je zapnutí vypínače světla, namísto jemného dolaďování ovládacích prvků pro každý jednotlivý qubit. Tento jednodušší přístup k měření, který umožňuje digitální řízení, zjednodušuje proces kvantových výpočtů a fyzikální požadavky na stavbu škálovatelného stroje.

Topologický qubit od Microsoftu má také výhodu oproti jiným qubitům díky své velikosti. Dokonce i u něčeho tak malého existuje zóna „Goldilocks“, kde je příliš malý qubit obtížně ovladatelný, ale příliš velký qubit vyžaduje obrovský stroj, řekl Troyer. Přidání individuální řídicí technologie pro tyto typy qubitů by vyžadovalo vybudování nepraktického počítače velikosti hangáru letadla nebo fotbalového hřiště.

Majorana 1, kvantový čip Microsoftu, který obsahuje jak qubity, tak okolní řídicí elektroniku, se vejde do dlaně a jde o kvantový počítač, který lze snadno nasadit v datových centrech Azure.

„Jedna věc je objevit nový stav hmoty,“ řekl Nayak. „Další je použít to k přehodnocení kvantových počítačů ve velkém měřítku.“

Navrhování kvantových materiálů atom po atomu

Topologická architektura qubit společnosti Microsoft se skládá z hliníkových nanodrátů spojených tak, aby vytvořily H. Každý H má čtyři ovladatelné Majorany a tvoří qubit. Tyto H lze také vzájemně propojit a rozmístit jako dlaždice po čipu.

„Je to složité v tom, že jsme museli předvést nový stav hmoty, abychom se tam dostali, ale potom je to docela jednoduché. Je dlaždicovatelný. Máte mnohem jednodušší architekturu, která slibuje mnohem rychlejší cestu ke škálování,“ řekla Krysta Svore, inženýrka společnosti Microsoft.

Kvantový čip nefunguje sám. Existuje v ekosystému s řídicí logikou, zřeďovacím chladičem, který udržuje qubity při teplotách hluboko pod teplotou vesmíru, a softwarovým zásobníkem, který lze integrovat s umělou inteligencí a klasickými počítači. Všechny tyto části existují, byly postaveny zcela interně nebo upraveny, řekla.

K dalšímu zdokonalování těchto procesů a k tomu, aby všechny prvky spolupracovaly ve zrychleném měřítku, jsou zapotřebí další roky inženýrské práce. Ale mnoho složitých vědeckých a technických problémů bylo nyní překonáno, říká Microsoft.

Nalezení správné kombinace materiálů pro vytvoření topologického stavu hmoty bylo jednou z nejobtížnějších částí, dodal Svore. Místo křemíku je topovodič Microsoftu vyroben z arsenidu india, což je materiál, který se v současnosti používá v aplikacích, jako jsou infračervené detektory, a který má speciální vlastnosti. Polovodič je kombinován se supravodivostí díky extrémnímu chladu a vzniká hybrid.

„Doslova stříkáme atom po atomu.“ Tyto materiály musí být dokonale sladěny. Pokud je v zásobníku materiálu příliš mnoho defektů, qubit se zničí,“ říká Svore.

„Ironií je, že proto také potřebujeme kvantový počítač – protože je neuvěřitelně obtížné těmto materiálům porozumět. S škálovaným kvantovým počítačem budeme schopni předpovídat materiály s ještě lepšími vlastnostmi pro stavbu další generace kvantových počítačů mimo měřítko,“ řekla.