A Microsoft kifejlesztett egy teljesen új halmazállapot létrehozására képes kvantumprocesszort

Ahhoz képest, hogy az anyagnak alapvetően négy halmazállapota van – szilárd, folyékony, gáz és plazma –, az utóbbi időben nem először fordul elő, hogy kutatók felborítják a különféle átmeneti állapotok miatt annyira nem is stabil status quót. Nemrég magyar fizikusok számoltak be arról, hogy a ferroelektromos nematikus anyagoknál megfigyeltek egy új állapotot, most pedig a Microsoft állt elő azzal, hogy olyan kvantumcsipet fejlesztettek ki, amely egy teljesen új anyagot kihasználva képes egy új halmazállapot létrehozására. A cég szerint

a topologikus kvantumbiteket kihasználó csippel a valódi problémákat megoldó kvantumszámítógépek nem évtizedekre, hanem évekre vannak – feltéve, hogy a dolog tényleg működik majd.

A Microsoft szerdán számolt be arról, hogy megalkotta a Majorana 1 nevű kvantumcsipet, benne a világ első topovezetőjével, amely képes megfigyelni és irányítani az úgynevezett Majorana-részecskéket, és így megbízhatóbb, jobban skálázható kvantumbiteket tud létrehozni. A Microsoft ezzel a legrégebben futó kutatási projektjét teljesítette be – vagy legalábbis érte el benne az első nagy áttörést –, az eredményeikről a Nature szaklapban és a saját felületeiken is beszámoltak. És akkor most gyorsan szálazzuk is szét, hogy mindez mit jelent.

Először is: mi az a kvantumbit? A hagyományos számítógépeknél az információ alapegysége a bit, ennek két lehetséges értéke az 1 és a 0. A kvantumszámítógépek ehelyett qubitekkel dolgoznak, amelyek a szuperpozíció kvantummechanikai jelenségét kihasználva egyszerre lehetnek mindkét állapotban. A qubitek számának növelésével így elméletben exponenciálisan nő a számítási kapacitás, a kiolvasásnál azonban a kvantum-szuperpozíció megszűnhet, és a kvantumbit értéke is 1 vagy 0 lesz, nem a kettő egyszerre. Erről sokkal bővebben ide kattintva lehet olvasni.

A kvantum-szuperpozíció megszűnésével a kvantumbitek előnye veszik el, de a kiolvasást nem lehet megkerülni, hiszen a (kvantum)bitekben tárolt információ az alapja mindennek. Az ebből, és más kvantumzajokból eredő hibák minimalizálása jelenleg a kvantumtechnológia legnagyobb megoldandó problémája, és az élenjáró cégek keményen dolgoznak is a megoldásán. Tavaly a Microsoft is ért el eredményeket ezen a téren az úgynevezett logikai qubitekkel, év végén pedig a Google ért el áttörést a Willow nevű csipjével, amely nemcsak a skálázhatóságra nyújt megoldást, hanem képes volt öt perc alatt megoldani egy olyan számítást, amely a jelenlegi legerősebb szuperszámítógépnek tíz kvadrillió évébe tellett volna.

Másodszor: mi az a Majorana-részecske? Nagyon röviden ezek olyan részecskék, melyek önmaguk antirészecskéi, amelyek a kvantumtechnológiában azért érdekesek, mert stabilabbá tehetik a kvantumbiteket. A létezésüket először egy Ettore Majorana nevű olasz fizikus feltételezte 1937-ben, de hiába próbálták többször is bizonyítani a létezésüket, egészen eddig nem jelent meg olyan lektorált tanulmány, amely ezt bizonyította volna. A Microsoft kutatóinak most állítólag sikerült nemcsak létrehozniuk ilyen részecskéket, hanem mikrohullámokkal megbízhatóan ki is tudják olvasni a Majorana-részecskék által elrejtett kvantuminformációt.

Ezzel el is jutottunk a harmadik kérdéshez: mi az a topovezető, vagyis topologikus szupravezető? Maguk a szupravezetők olyan anyagok, amelyek ellenállás és így energiaveszteség nélkül vezetik az áramot. A topovezető pedig egy olyan szupravezető, amely képes egy új halmazállapot létrehozására, amelyet aztán a csip felhasznál ahhoz, hogy létrehozza a stabilabb kvantumbiteket. A Microsoft megoldása azért egyedi, mert a Majorana 1-nél egy szupravezetőt (jelen esetben a nagyon alacsony hőmérsékleten így viselkedő alumíniumot) kombinálja egy, a hagyományos számítástechnikából ismert félvezetővel (indium-arzeniddel, egészen pontosan).

Az elvet, illetve a topologikus kvantumszámítógép elnevezést 1997-ben találta ki egy Alekszej Kitajev nevű fizikus, a Microsoft pedig a kétezres évek eleje óta dolgozott azon, hogy megvalósítsa ezt – most úgy tűnik, sikeresen.

Philip Kim, a Harvard fizikusprofesszora a New York Timesnak azt nyilatkozta, hogy ha minden úgy megy, ahogy a Microsoft tervezi, akkor a topologikus qubitek valóban forradalmasíthatják a kvantumszámítógépek fejlesztését. A Jet Propulsion Laboratoryt is vezető Caltech elméleti fizikusa, Jason Alicea szerint ugyanakkor egyelőre még azt kell minden kétséget kizáróan bizonyítani, hogy a Microsoftnak valóban sikerült topologikus qubiteket alkotnia. A Microsoft állítása szerint nyolc ilyet tett rá a Majorana 1-re, amely elvileg egymillió qubitig skálázható, de egyelőre még nem tudtak olyan számításokat végezni velük, amelyek máshogy kivitelezhetetlenek lettek volna.

Ha a Microsoft valóban sikerrel járt, az sokkal könnyebbé és hatékonyabbá teheti majd a kvantumszámítógépek kiolvasásánál fellépő hibák korrigálását, önmagában amiatt is, mert a topologikus qubitek kisebb eséllyel veszítik el a szuperpozíciójukat a folyamat során. Ha a Microsoft kvantumprocesszora működik, hamarabb juthatunk el oda, hogy a kvantumszámítógépek skálázhatóak és programozhatóak legyenek, ezekkel pedig elméletileg az emberiség legösszetettebb problémáinak megoldása sem lenne lehetetlen, különösen a kémiában és az anyagtudományban vehetnénk hasznukat. Arról nem is beszélve, hogy az MI-modellekkel kombinálva az egész folyamat annyiból állna, hogy simán csak megmondjuk a gépnek, hogy mit akarunk.