Microsoft’un Majorana 1 çipi kuantum hesaplama için yeni bir çığır açıyor

Microsoft bugün , yeni Topolojik Çekirdek mimarisiyle desteklenen dünyanın ilk kuantum çipi olan Majorana 1’i tanıttı . Şirket, bu çipin, onlarca yıl değil yıllar içerisinde anlamlı, endüstriyel ölçekteki problemleri çözebilecek kuantum bilgisayarlarını hayata geçireceğini umuyor.

Dünyanın ilk topoiletkeni, Majorana parçacıklarını gözlemleyip kontrol edebilen ve kuantum bilgisayarlarının yapı taşları olan daha güvenilir ve ölçeklenebilir kübitler üretebilen çığır açıcı bir malzeme türüdür.

Microsoft, yarı iletkenlerin icadının günümüz akıllı telefonlarını, bilgisayarlarını ve elektronik cihazlarını mümkün kıldığı gibi, topo iletkenlerin ve bunların mümkün kıldığı yeni tip çiplerin, bir milyon kübite kadar ölçeklenebilen ve en karmaşık endüstriyel ve toplumsal sorunları ele alabilen kuantum sistemlerinin geliştirilmesine giden bir yol sunduğunu belirtti.

Microsoft teknik görevlisi Chetan Nayak, “Bir adım geri çekildik ve ‘Tamam, kuantum çağı için transistörü icat edelim. Hangi özelliklere sahip olması gerekiyor?’ dedik” dedi. “Ve buraya gerçekten böyle geldik – yeni malzeme yığınımızdaki belirli kombinasyon, kalite ve önemli detaylar, yeni bir tür kübiti ve nihayetinde tüm mimarimizi mümkün kıldı.”

Microsoft, Majorana 1 işlemcisini geliştirmek için kullanılan bu yeni mimarinin, bir milyon kübiti avucunuzun içine sığabilecek tek bir çipe sığdırmak için net bir yol sunduğunu söyledi. Bu, kuantum bilgisayarların dönüştürücü, gerçek dünya çözümleri sunması için gereken bir eşiktir; örneğin mikroplastikleri zararsız yan ürünlere ayırmak veya inşaat, üretim veya sağlık hizmetleri için kendi kendini onaran malzemeler icat etmek gibi. Birlikte çalışan dünyadaki tüm mevcut bilgisayarlar, bir milyon kübitlik bir kuantum bilgisayarının yapabileceği şeyi yapamaz. 

“Kuantum uzayında yaptığınız her neyse, bir milyon kübite giden bir yola sahip olması gerekir. Eğer öyle olmazsa, bizi motive eden gerçekten önemli sorunları çözebileceğiniz ölçeğe ulaşmadan önce bir duvara çarpacaksınız,” dedi Nayak. “Aslında bir milyona giden bir yol bulduk.”

Topoiletken veya topolojik süperiletken, tamamen yeni bir madde durumu yaratabilen özel bir malzeme kategorisidir – katı, sıvı veya gaz değil, topolojik bir durum. Bu, mevcut alternatiflerin gerektirdiği ödünler olmadan hızlı, küçük ve dijital olarak kontrol edilebilen daha kararlı bir kübit üretmek için kullanılır. Çarşamba günü Nature’da yayınlanan yeni bir makale, Microsoft araştırmacılarının topolojik kübitin egzotik kuantum özelliklerini nasıl yaratabildiklerini ve ayrıca bunları doğru bir şekilde nasıl ölçebildiklerini, pratik hesaplama için önemli bir adım olarak özetliyor.

Bu atılım, Microsoft’un atom atom tasarlayıp ürettiği indiyum arsenit ve alüminyumdan yapılmış tamamen yeni bir malzeme yığınının geliştirilmesini gerektirdi. Microsoft, amacın Majoranas adı verilen yeni kuantum parçacıklarını varlığa getirmek ve kuantum bilişiminin bir sonraki ufkuna ulaşmak için benzersiz özelliklerinden yararlanmak olduğunu söyledi.  

Majorana 1’i güçlendiren dünyanın ilk Topolojik Çekirdeği, donanım düzeyinde hata direncini de bünyesinde barındırarak daha kararlı bir tasarıma sahip olup güvenilirdir.

Ticari açıdan önemli uygulamalar ayrıca bir milyon kübit üzerinde trilyonlarca işlem gerektirecektir ki bu, her kübitin ince ayarlı analog kontrolüne dayanan mevcut yaklaşımlarla engelleyici olacaktır. Microsoft ekibinin yeni ölçüm yaklaşımı, kübitlerin dijital olarak kontrol edilmesini sağlayarak kuantum hesaplamanın nasıl çalıştığını yeniden tanımlıyor ve büyük ölçüde basitleştiriyor.

Bu ilerleme, Microsoft’un yıllar önce topolojik bir kübit tasarımına yönelme kararını doğruluyor – yüksek riskli, yüksek ödüllü bir bilimsel ve mühendislik zorluğu ve artık karşılığını alıyor. Şirket bugün, bir milyona ölçeklenecek şekilde tasarlanmış bir çipe sekiz topolojik kübit yerleştirdi.

Microsoft teknik görevlisi Matthias Troyer, “Başından beri sadece düşünce liderliği için değil, ticari etki için bir kuantum bilgisayarı yapmak istedik,” dedi. “Yeni bir kübite ihtiyacımız olduğunu biliyorduk. Ölçeklendirmemiz gerektiğini biliyorduk.”

Bu yaklaşım, ulusal güvenlik açısından önemli olan çığır açıcı teknolojilere yatırım yapan federal bir kurum olan Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı’nın (DARPA), Microsoft’u, yenilikçi kuantum hesaplama teknolojilerinin geleneksel olarak mümkün olduğuna inanılandan daha hızlı ticari açıdan önemli kuantum sistemleri inşa edip edemeyeceğini değerlendirmek üzere sıkı bir programa dahil etmesine yol açtı.  

Microsoft, DARPA’nın daha büyük Kuantum Karşılaştırma Girişimi’ni oluşturan programlardan biri olan DARPA’nın Fayda Ölçeğinde Kuantum Hesaplama İçin Az Keşfedilmiş Sistemler (US2QC) programının son aşamasına geçmeye davet edilen iki şirketten biri oldu . Bu girişim, sektörün ilk fayda ölçeğinde hata toleranslı kuantum bilgisayarını veya hesaplama değeri maliyetlerini aşan bir bilgisayarı sunmayı amaçlıyor. 

‘Size sadece cevabı veriyor’

Microsoft, kendi kuantum donanımını üretmenin yanı sıra, Quantinuum ve Atom Computing ile ortaklık kurarak günümüzün kübitleriyle bilimsel ve mühendislik alanında çığır açıcı gelişmelere imza attı; bunlar arasında geçen yıl sektörün ilk güvenilir kuantum bilgisayarının duyurulması da yer alıyor .

Bu tür makineler, özellikle AI, daha fazla sayıda güvenilir kübit tarafından desteklenecek yeni kuantum sistemleriyle birleştirildiğinde, kuantum becerilerini geliştirmek, hibrit uygulamalar oluşturmak ve yeni keşifler yapmak için önemli fırsatlar sunar . Bugün, Azure Quantum , müşterilerin bilimsel keşifleri ilerletmek için Azure’daki bu önde gelen AI, yüksek performanslı bilgi işlem ve kuantum platformlarından yararlanmalarına olanak tanıyan bir dizi entegre çözüm sunmaktadır.

Ancak kuantum hesaplamanın bir sonraki ufkuna ulaşmak, bir milyon kübit veya daha fazlasını sağlayabilen ve trilyonlarca hızlı ve güvenilir işleme ulaşabilen bir kuantum mimarisi gerektirecektir. Microsoft, bugünkü duyurunun bu ufku on yıllar değil yıllar sonrasına koyduğunu söyledi.

Kuantum mekaniğini kullanarak kimyasal reaksiyonlardan moleküler etkileşimlere ve enzim enerjilerine kadar doğanın nasıl davrandığını matematiksel olarak inanılmaz bir kesinlikle haritalayabildikleri için, milyon kübitlik makineler kimya, malzeme bilimi ve diğer endüstrilerdeki günümüz klasik bilgisayarlarının doğru bir şekilde hesaplamasının imkansız olduğu belirli türden problemleri çözebilmelidir.

• Örneğin, malzemelerin neden korozyona uğradığı veya çatladığı gibi zor bir kimya sorusunun çözülmesine yardımcı olabilirler. Bu, köprülerdeki veya uçak parçalarındaki çatlakları, kırılan telefon ekranlarını veya çizilen araba kapılarını onaran kendi kendini onaran malzemelere yol açabilir.
• Çok sayıda plastik türü olduğu için, şu anda onları parçalayabilecek tek bir katalizör bulmak mümkün değil – özellikle mikroplastikleri temizlemek veya karbon kirliliğiyle mücadele etmek için önemli. Kuantum bilişim, kirleticileri değerli yan ürünlere parçalamak veya ilk etapta toksik olmayan alternatifler geliştirmek için bu tür katalizörlerin özelliklerini hesaplayabilir.
• Bir tür biyolojik katalizör olan enzimler, yalnızca kuantum bilişiminin sağlayabileceği davranışları hakkında doğru hesaplamalar sayesinde sağlık hizmetlerinde ve tarımda daha etkili bir şekilde kullanılabilir. Bu, küresel açlığı ortadan kaldırmaya yardımcı olacak çığır açıcı buluşlara yol açabilir: verimi artırmak için toprak verimliliğini artırmak veya sert iklimlerde gıdaların sürdürülebilir büyümesini teşvik etmek.

En önemlisi, kuantum bilişimi mühendislerin, bilim insanlarının, şirketlerin ve diğerlerinin ilk seferde her şeyi doğru tasarlamalarına olanak tanıyabilir – bu da sağlık hizmetlerinden ürün geliştirmeye kadar her şey için dönüştürücü olacaktır. Kuantum bilişiminin gücü, yapay zeka araçlarıyla birleştiğinde, birinin ne tür yeni bir malzeme veya molekül yaratmak istediğini sade bir dille tanımlamasına ve hemen işe yarayan bir yanıt almasına olanak tanır – tahmin yürütme veya yıllarca deneme yanılma yok.  

Troyer, “Herhangi bir şey üreten herhangi bir şirket, ilk seferde onu mükemmel bir şekilde tasarlayabilir. Size sadece cevabı verirdi,” dedi. “Kuantum bilgisayarı, yapay zekaya doğanın dilini öğretiyor, böylece yapay zeka size yapmak istediğiniz şeyin tarifini söyleyebiliyor.”

Kuantum hesaplamayı büyük ölçekte yeniden düşünmek

Kuantum dünyası, gördüğümüz dünyayı yöneten fizik yasalarıyla aynı olmayan kuantum mekaniği yasalarına göre işler. Parçacıklara, bilgisayarların şu anda kullandığı bitlere veya birler ve sıfırlara benzer şekilde kübitler veya kuantum bitleri denir.

Kübitler titizdir ve çevrelerinden gelen bozulmalara ve hatalara karşı oldukça hassastır, bu da parçalanmalarına ve bilgilerin kaybolmasına neden olur. Durumları ölçümden de etkilenebilir – bu bir sorundur çünkü ölçüm, hesaplama için olmazsa olmazdır. İçsel bir zorluk, onları bozan çevresel gürültüden koruma sağlarken ölçülebilen ve kontrol edilebilen bir kübit geliştirmektir.

Kübitler farklı şekillerde yaratılabilir, her birinin avantajları ve dezavantajları vardır. Yaklaşık 20 yıl önce Microsoft, daha az hata düzeltmesi gerektiren daha kararlı kübitler sunacağına inandığı topolojik kübitler geliştirmeye karar verdi ve böylece hız, boyut ve kontrol edilebilirlik avantajlarının kilidini açtı. Bu yaklaşım, keşfedilmemiş bilimsel ve mühendislik atılımları gerektiren dik bir öğrenme eğrisi oluşturdu, ancak aynı zamanda ticari olarak değerli işler yapabilen ölçeklenebilir ve kontrol edilebilir kübitler yaratmanın en umut verici yoluydu.

Dezavantajı, Microsoft’un kullanmayı amaçladığı Majoranas adlı egzotik parçacıkların yakın zamana kadar hiç görülmemiş veya yapılmamış olmasıydı. Bunlar doğada mevcut değildir ve yalnızca manyetik alanlar ve süperiletkenlerle varlığa getirilebilirler. Egzotik parçacıkları ve bunlarla ilişkili topolojik madde hallerini yaratmak için doğru malzemeleri geliştirmenin zorluğu, çoğu kuantum çabasının diğer tür kübitlere odaklanmasının nedenidir.

Nature dergisinde yayımlanan makale, Microsoft’un yalnızca kuantum bilgilerini rastgele bozulmalardan korumaya yardımcı olan Majorana parçacıkları yaratmayı başardığını değil, aynı zamanda mikrodalgalar kullanarak bu bilgileri güvenilir bir şekilde ölçebildiğini de doğrulayan hakemli bir onay niteliği taşıyor.

Majoranalar kuantum bilgilerini gizler, bu da onu daha sağlam hale getirir, ancak aynı zamanda ölçülmesini de zorlaştırır. Microsoft ekibinin yeni ölçüm yaklaşımı o kadar hassastır ki, süperiletken bir teldeki bir milyar ile bir milyar ve bir elektron arasındaki farkı tespit edebilir – bu da bilgisayara kübitin hangi durumda olduğunu söyler ve kuantum hesaplamasının temelini oluşturur.

Ölçümler, her bir kübit için kadranları ince ayarlamak yerine, bir ışık anahtarını çevirmek gibi voltaj darbeleriyle açılıp kapatılabilir. Dijital kontrolü mümkün kılan bu daha basit ölçüm yaklaşımı, kuantum hesaplama sürecini ve ölçeklenebilir bir makine inşa etmek için fiziksel gereksinimleri basitleştirir.

Microsoft’un topolojik kübiti, boyutu nedeniyle diğer kübitlere göre de bir avantaja sahip. Troyer, bu kadar küçük bir şey için bile, çok küçük bir kübitin kontrol hatları çalıştırmanın zor olduğu, ancak çok büyük bir kübitin devasa bir makine gerektirdiği bir “Altın Saçlı Kız” bölgesi olduğunu söyledi. Bu tür kübitler için kişiselleştirilmiş kontrol teknolojisini eklemek, bir uçak hangarı veya futbol sahası büyüklüğünde pratik olmayan bir bilgisayar inşa etmeyi gerektirecektir.

Microsoft’un kuantum çipi olan Majorana 1, hem kübitleri hem de çevresindeki kontrol elektroniğini bünyesinde barındırıyor ve avuç içinde tutulabiliyor; Azure veri merkezlerine kolayca yerleştirilebilen bir kuantum bilgisayarına tam olarak oturuyor.

Nayak, “Maddenin yeni bir halini keşfetmek bir şeydir,” dedi. “Kuantum hesaplamayı ölçekte yeniden düşünmek için bundan yararlanmak başka bir şeydir.”

Kuantum malzemelerini atom atom tasarlamak

Microsoft’un topolojik kübit mimarisi, bir H oluşturmak için bir araya getirilmiş alüminyum nanotellere sahiptir. Her H’nin dört kontrol edilebilir Majoranası vardır ve bir kübit oluşturur. Bu H’ler de bağlanabilir ve çip boyunca çok sayıda fayans gibi yerleştirilebilir.

“Oraya ulaşmak için yeni bir madde durumu göstermemiz gerektiği için karmaşık bir durum, ancak ondan sonra oldukça basit. Ortaya çıkıyor. Ölçeklendirmek için çok daha hızlı bir yol vaat eden çok daha basit bir mimariniz var,” dedi Microsoft teknik görevlisi Krysta Svore.

Kuantum çipi tek başına çalışmıyor. Kontrol mantığı, kübitleri uzaydan çok daha soğuk sıcaklıklarda tutan bir seyreltme buzdolabı ve yapay zeka ve klasik bilgisayarlarla entegre olabilen bir yazılım yığını olan bir ekosistemde var oluyor. Tüm bu parçalar var, tamamen şirket içinde inşa ediliyor veya değiştiriliyor, dedi.

Açık olmak gerekirse, bu süreçleri iyileştirmeye devam etmek ve tüm unsurların hızlandırılmış ölçekte birlikte çalışmasını sağlamak daha fazla yıllık mühendislik çalışması gerektirecektir. Ancak Microsoft, birçok zorlu bilimsel ve mühendislik zorluğunun artık karşılandığını söyledi.

Svore, en zor kısımlardan birinin madde yığınını topolojik bir madde durumu üretecek şekilde doğru hale getirmek olduğunu ekledi. Microsoft’un topoiletkeni silikon yerine, kızılötesi dedektörler gibi uygulamalarda kullanılan ve özel özelliklere sahip bir malzeme olan indiyum arsenitten yapılmıştır. Yarı iletken, aşırı soğuk sayesinde süperiletkenlikle birleştirilerek bir hibrit oluşturulmuştur.

“Tam anlamıyla atom atom püskürtüyoruz. Bu malzemelerin mükemmel bir şekilde hizalanması gerekiyor. Malzeme yığınında çok fazla kusur varsa, bu sadece kübitinizi öldürür,” dedi Svore.

“İronik olarak, bir kuantum bilgisayarına ihtiyacımız olmasının nedeni de bu – çünkü bu malzemeleri anlamak inanılmaz derecede zor. Ölçekli bir kuantum bilgisayarıyla, ölçeğin ötesinde bir sonraki nesil kuantum bilgisayarlarını inşa etmek için daha da iyi özelliklere sahip malzemeleri tahmin edebileceğiz,” dedi.