Microsoft presenta Majorana 1, il primo processore quantistico al mondo basato su qubit topologici

(dal sito Microsoft)I computer quantistici promettono di trasformare la scienza e la società, ma solo dopo aver raggiunto la scala che un tempo sembrava lontana e sfuggente, e dopo che la loro affidabilità sarà garantita dalla correzione degli errori quantistici. Oggi annunciamo rapidi progressi sulla strada verso un calcolo quantistico utile:

• Majorana 1 : la prima unità di elaborazione quantistica (QPU) al mondo basata su un core topologico, progettata per raggiungere un milione di qubit su un singolo chip.
• Un qubit topologico protetto da hardware : la ricerca pubblicata oggi su Nature , insieme ai dati condivisi durante la riunione di Station Q, dimostrano la nostra capacità di sfruttare un nuovo tipo di materiale e di progettare un tipo di qubit radicalmente diverso, piccolo, veloce e controllato digitalmente.
• Una roadmap per dispositivi verso un calcolo quantistico affidabile : il nostro percorso dai dispositivi a singolo qubit agli array che consentono la correzione degli errori quantistici.
• Costruzione del primo prototipo fault-tolerant (FTP) al mondo basato su qubit topologici : Microsoft è sulla buona strada per costruire un FTP di un computer quantistico scalabile, in anni, non decenni, come parte della fase finale del programma Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC) della Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).

Insieme, queste pietre miliari segnano un momento cruciale nell'informatica quantistica, mentre avanziamo dall'esplorazione scientifica all'innovazione tecnologica.

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Sfruttare un nuovo tipo di materiale

Tutti gli annunci di oggi si basano sulla recente scoperta del nostro team: il primo topoconduttore al mondo. Questa rivoluzionaria classe di materiali ci permette di creare la superconduttività topologica, un nuovo stato della materia che in precedenza esisteva solo in teoria. Questo progresso deriva dalle innovazioni di Microsoft nella progettazione e fabbricazione di dispositivi gate-defined che combinano arseniuro di indio (un semiconduttore) e alluminio (un superconduttore). Raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto e sintonizzati con campi magnetici, questi dispositivi formano nanofili superconduttori topologici con modalità zero di Majorana (MZM) alle estremità.

Per quasi un secolo, queste quasiparticelle sono esistite solo nei libri di testo. Ora possiamo crearle e controllarle a richiesta nei nostri topoconduttori . Gli MZM sono i mattoni dei nostri qubit, che immagazzinano informazioni quantistiche tramite la "parità", ovvero indipendentemente dal fatto che il filo contenga un numero pari o dispari di elettroni. Nei superconduttori convenzionali, gli elettroni si legano in coppie di Cooper e si muovono senza resistenza. Qualsiasi elettrone spaiato può essere rilevato perché la sua presenza richiede energia extra. I nostri topoconduttori sono diversi: qui, un elettrone spaiato è condiviso tra una coppia di MZM, rendendolo invisibile all'ambiente. Questa proprietà unica protegge le informazioni quantistiche.

Sebbene questo renda i nostri topoconduttori candidati ideali per i qubit, presenta anche una sfida: come possiamo leggere informazioni quantistiche così ben nascoste? Come possiamo distinguere tra, diciamo, 1.000.000.000 e 1.000.000.001 di elettroni?

La nostra soluzione a questa sfida di misurazione funziona come segue (vedere anche Figura 1):

• Utilizziamo interruttori digitali per collegare entrambe le estremità del nanofilo a un punto quantico, un minuscolo dispositivo semiconduttore in grado di immagazzinare carica elettrica.
• Questa connessione aumenta la capacità del punto di trattenere la carica. Fondamentalmente, l'aumento esatto dipende dalla parità del nanofilo.
• Misuriamo questo cambiamento usando le microonde. La capacità del punto di mantenere la carica determina il modo in cui le microonde si riflettono sul punto quantico. Di conseguenza, ritornano portando con sé un'impronta dello stato quantico del nanofilo.

Abbiamo progettato i nostri dispositivi in ​​modo che queste variazioni siano sufficientemente ampie da poter essere misurate in modo affidabile in un'unica operazione. Le nostre misurazioni iniziali avevano una probabilità di errore dell'1% e abbiamo individuato percorsi chiari per ridurla significativamente.

Il nostro sistema mostra una stabilità impressionante. L'energia esterna, come la radiazione elettromagnetica, può rompere le coppie di Cooper, creando elettroni spaiati che possono invertire lo stato del qubit da parità pari a parità dispari. Tuttavia, i nostri risultati mostrano che questo è raro, verificandosi in media solo una volta al millisecondo. Ciò indica che la schermatura che avvolge il nostro processore è efficace nel bloccare tali radiazioni. Stiamo esplorando modi per ridurre ulteriormente questo fenomeno.

Forse non sorprende che il calcolo quantistico richieda la progettazione di un nuovo stato della materia specificamente progettato per consentirlo. Ciò che è notevole è l'accuratezza della nostra tecnica di lettura, a dimostrazione del fatto che stiamo sfruttando questo stato esotico della materia per il calcolo quantistico.

Rivoluzionare il controllo quantistico attraverso la precisione digitale

Questa tecnica di lettura consente un approccio fondamentalmente diverso al calcolo quantistico, in cui le misurazioni vengono utilizzate per eseguire calcoli.

Il calcolo quantistico tradizionale ruota gli stati quantistici di angoli precisi, richiedendo complessi segnali di controllo analogici personalizzati per ogni qubit. Ciò complica la correzione degli errori quantistici (QEC), che deve basarsi su queste stesse operazioni sensibili per rilevare e correggere gli errori.

Il nostro approccio basato sulla misurazione semplifica notevolmente la QEC. Eseguiamo la correzione degli errori interamente tramite misurazioni attivate da semplici impulsi digitali che collegano e scollegano i punti quantici dai nanofili. Questo controllo digitale rende pratica la gestione dell'elevato numero di qubit necessari per le applicazioni reali.

Dalla fisica all'ingegneria

Ora che sono stati dimostrati gli elementi costitutivi fondamentali (informazioni quantistiche codificate in MZM, protette dalla topologia ed elaborate tramite misurazioni), siamo pronti a passare dalle scoperte in fisica all'implementazione pratica.

Il passo successivo è un'architettura scalabile costruita attorno a un dispositivo a singolo qubit chiamato tetrone (vedi Figura 2). Durante la riunione di Station Q, abbiamo condiviso dati che dimostrano il funzionamento di base di questo qubit. Un'operazione fondamentale – la misurazione della parità di uno dei nanofili topologici in un tetrone – utilizza la stessa tecnica descritta nel nostro articolo su Nature .

Un'altra operazione chiave pone il qubit in una sovrapposizione di stati di parità. Anche questa operazione viene eseguita tramite una misurazione riflettometrica a microonde di un punto quantico, ma in una configurazione di misura diversa in cui disaccoppiamo il primo punto quantico dal nanofilo e colleghiamo un punto diverso a entrambi i nanofili a un'estremità del dispositivo. Eseguendo queste due misurazioni di Pauli ortogonali, Z e X , abbiamo dimostrato il controllo basato sulla misura, una pietra miliare cruciale che apre le porte ai prossimi passi della nostra roadmap.

La nostra roadmap ora punta sistematicamente verso una QEC scalabile. I prossimi passi riguarderanno un array di tetroni 4x2. Utilizzeremo inizialmente un sottoinsieme di due qubit per dimostrare l'entanglement e le trasformazioni di intreccio basate su misure. Utilizzando l'intero array di otto qubit, implementeremo quindi il rilevamento di errori quantistici su due qubit logici.

La protezione integrata dagli errori dei qubit topologici semplifica la QEC. Inoltre, i nostri codici QEC personalizzati riducono l'overhead di circa dieci volte rispetto al precedente approccio all'avanguardia . Questa drastica riduzione significa che il nostro sistema scalabile può essere costruito con un numero inferiore di qubit fisici e ha il potenziale per funzionare a una velocità di clock più elevata.

Il riconoscimento del nostro approccio da parte della DARPA

La Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ha selezionato Microsoft come una delle due aziende ad accedere alla fase finale del suo rigoroso programma di benchmarking noto come Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC), uno dei programmi che compongono la più ampia Quantum Benchmarking Initiative (QBI) della DARPA. Microsoft considera questo riconoscimento come la convalida della propria roadmap per la realizzazione di un computer quantistico fault-tolerant con qubit topologici.

Il programma US2QC della DARPA e la sua più ampia Quantum Benchmarking Initiative rappresentano un approccio rigoroso alla valutazione di sistemi quantistici in grado di risolvere problemi che vanno oltre le capacità dei computer classici. Ad oggi, il programma US2QC ha riunito esperti della DARPA, dell'Air Force Research Laboratory, del Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, del Los Alamos National Laboratory, dell'Oak Ridge National Laboratory e del NASA Ames Research Center per verificare hardware, software e applicazioni quantistiche. In futuro, si prevede che la Quantum Benchmarking Initiative, più ampia, coinvolgerà un numero ancora maggiore di esperti nella sperimentazione e nella valutazione dei computer quantistici.

In precedenza, la DARPA aveva selezionato Microsoft per una fase iniziale dopo aver valutato la plausibilità della costruzione di un computer quantistico su scala industriale in tempi ragionevoli. La DARPA ha quindi valutato i progetti architettonici e il piano ingegneristico del team quantistico di Microsoft per un computer quantistico a prova di guasto. A seguito di questa attenta analisi, la DARPA e Microsoft hanno stipulato un accordo per avviare la fase finale del programma. Durante questa fase, Microsoft intende costruire un prototipo a prova di guasto basato su qubit topologici in anni, non decenni : un passo cruciale verso l'accelerazione del calcolo quantistico su scala industriale.

Sbloccare la promessa della fisica quantistica

Diciotto mesi fa abbiamo delineato la nostra roadmap per un supercomputer quantistico . Oggi abbiamo raggiunto il secondo traguardo, dimostrando il primo qubit topologico al mondo. E abbiamo già inserito otto qubit topologici su un chip progettato per ospitarne un milione.

Un computer quantistico da un milione di qubit non è solo una pietra miliare, ma anche una porta d'accesso alla risoluzione di alcuni dei problemi più complessi del mondo. Persino i supercomputer più potenti di oggi non sono in grado di prevedere con precisione i processi quantistici che determinano le proprietà dei materiali essenziali per il nostro futuro. Ma il calcolo quantistico su questa scala potrebbe portare a innovazioni come materiali autoriparanti che riparano le crepe nei ponti, agricoltura sostenibile e scoperte chimiche più sicure. Ciò che oggi richiede miliardi di dollari in approfondite ricerche sperimentali ed esperimenti in laboratorio potrebbe invece essere scoperto attraverso il calcolo su un computer quantistico.

Il nostro percorso verso un calcolo quantistico utile è chiaro. La tecnologia di base è comprovata e crediamo che la nostra architettura sia scalabile. Il nostro nuovo accordo con DARPA dimostra l'impegno a progredire incessantemente verso il nostro obiettivo: costruire una macchina in grado di guidare la scoperta scientifica e risolvere problemi importanti. Restate sintonizzati per ulteriori aggiornamenti sul nostro percorso.

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