Keadaan materi baru baru saja mengubah masa depan komputasi kuantum
Peneliti Microsoft dan UC Santa Barbara telah meluncurkan prosesor kuantum topologi delapan ubit, menandai langkah besar menuju membangun komputer kuantum topologi yang berfungsi penuh.
Inovasi mereka terletak pada keadaan materi baru, superkonduktor topologi, yang dapat memungkinkan lebih cepat, lebih stabil Komputasi kuantum.
Era baru dalam komputasi kuantum
Microsoft, bekerja sama dengan fisikawan UC Santa Barbara, telah meluncurkan prosesor kuantum topologi delapan ubit-yang pertama dari jenisnya. Chip terobosan ini berfungsi sebagai pembuktian konsep, membuka jalan bagi pengembangan komputer kuantum topologi yang telah lama dinanti.
“Kami punya banyak hal yang kami simpan dengan bungkus yang kami jatuhkan sekaligus sekarang,” kata Direktur Q Microsoft Station Chetan Nayak, seorang profesor fisika di UCSB dan seorang rekan teknis untuk perangkat keras kuantum di Microsoft. Chip ini diperkenalkan di Konferensi Tahunan Stasiun Q di Santa Barbara dan dirinci dalam makalah yang baru diterbitkan di Alam. Penelitian, yang dilakukan oleh Microsoft dan kolaborator akademiknya, menyajikan pengukuran utama dari qubit novel ini.
Kekuatan keadaan materi baru
“Kami telah menciptakan keadaan materi baru, yang disebut superkonduktor topologi,” Nayak menjelaskan. Fase materi ini menampung batas -batas eksotis yang disebut Majorana Zero Mode (MZM) yang berguna untuk komputasi kuantum, jelasnya. Hasil simulasi yang ketat dan pengujian perangkat heterostruktur mereka konsisten dengan pengamatan negara -negara tersebut. “Ini menunjukkan bahwa kita bisa melakukannya, melakukannya dengan cepat dan melakukannya secara akurat,” katanya.
Para peneliti juga menindaklanjuti hasil sifatnya dengan makalah yang saat ini berada di pracetak menguraikan peta jalan untuk meningkatkan teknologi mereka ke dalam komputer kuantum topologi yang berfungsi penuh.
Majorana Magic: Kunci stabilitas
Janji komputasi kuantum terletak pada kecepatan dan kekuatan perhitungannya, diharapkan untuk mengungguli bahkan superkomputer klasik yang paling canggih. Semua ini bertumpu pada qubit, versi komputasi kuantum dari bit, unit informasi mendasar untuk komputer klasik. Sementara bit klasik hanya ada dalam keadaan nol atau satu, qubit dapat mewakili nol, satu, dan kombinasi di antaranya.
Qubit dapat datang dalam bentuk yang berbeda, memanfaatkan perilaku kuantum ion yang terperangkap, misalnya, atau foton. Sistem topologi didasarkan pada jenis partikel yang berbeda yang disebut anyon, jenis “quasipartikel” yang muncul sebagai hasil dari keadaan berkorelasi dari banyak partikel yang berinteraksi di permukaan suatu bahan, dalam hal ini kawat nano superkonduktor.
Apa yang membuat komputasi kuantum topologi menjadi bidang penelitian yang panas adalah bahwa ia menjanjikan lebih banyak stabilitas dan ketahanan terhadap kesalahan daripada sistem komputasi kuantum lainnya. Qubit dapat rentan terhadap kesalahan, membutuhkan pembangun komputer kuantum untuk memperhitungkannya dengan, misalnya, membangun lebih banyak qubit untuk mengoreksi kesalahan.
Membangun resistensi kesalahan di tingkat perangkat keras
“Pendekatan pelengkap adalah membangun koreksi kesalahan di tingkat perangkat keras,” kata Nayak. Karena informasi kuantum didistribusikan dan disimpan di atas sistem fisik daripada pada partikel atau atom individu, ia menjelaskan, informasi yang ditangani oleh qubit topologi cenderung kehilangan koherensi, menghasilkan sistem yang lebih toleran terhadap kesalahan.
Tetapi tidak sembarang quasipartikel akan melakukannya. Untuk komputasi kuantum topologi, partikel -partikel Majorana – lebih khusus Mode Majorana Zero – adalah alat pilihan. Dinamai untuk fisikawan Italia Ettore Majorana, yang memperkirakan mereka pada tahun 1937, partikel -partikel ini istimewa karena mereka adalah antipartikel mereka sendiri, dan mampu mempertahankan “memori” posisi relatif mereka dari waktu ke waktu. Dengan “mengepang” mereka – menggerakkan mereka secara fisik di sekitar satu sama lain – dimungkinkan untuk membuat logika kuantum yang lebih kuat.
Para peneliti menyadari MZM ini melalui penempatan nanowire semikonduktor indium arsenide yang sangat dekat dengan superkonduktor aluminium. Dalam kondisi yang tepat, kawat semikonduktor menjadi superkonduktor dan memasuki fase topologi. MZM muncul di ujung kawat, sedangkan sisa kawat memiliki celah energi. “Semakin besar celah topologi ini,” Nayak menunjukkan, “semakin kuat fase topologi.
“Yang mengejutkan adalah, ketika Anda membuat celah lebih besar, tidak hanya itu menjadi lebih kuat, tetapi Anda berpotensi lebih cepat dan mungkin sedikit menyusut semuanya sehingga Anda tidak membayar kesetiaan Anda dengan ukuran.”
Langkah kecil tapi perkasa ke depan
Di delapan qubit, prosesor topologi para peneliti adalah embrio belaka di dunia komputer kuantum, tetapi menandai tonggak utama dalam pencarian selama beberapa dekade untuk mengembangkan komputer kuantum topologi. Sepanjang jalan, kata Nayak, ada kemitraan yang bermanfaat antara Station Q dan Universitas, terutama di bidang menciptakan bahan -bahan yang menjadi tuan rumah perilaku kuantum topologi.
“Chris Palmstrøm telah menjadi kolaborator pada waktu -waktu tertentu, dan dia telah membuat kemajuan penting dalam jenis bahan ini,” katanya tentang ahli bahan elektronik, sementara ilmuwan material Susanne Stemmer menyumbangkan keahliannya dengan proses fabrikasi. Station Q juga telah mempekerjakan banyak siswa untuk timnya, dan yang penting, Nayak menambahkan, konsep heterostruktur semikonduktor lahir dari ide-ide pemenang Hadiah Nobel dari mendiang Herb Kroemer, yang adalah seorang profesor di Departemen Teknik Listrik dan Komputer.
“Ada sejarah panjang keahlian dan bakat di UCSB dalam kombinasi material semacam ini, dan pada ilmu material yang benar-benar mutakhir ini yang membuka jenis fisika baru yang dapat kita lakukan.”
Reference: “Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices” by Microsoft Azure Quantum, Morteza Aghaee, Alejandro Alcaraz Ramirez, Zulfi Alam, Rizwan Ali, Mariusz Andrzejczuk, Andrey Antipov, Mikhail Astafev, Amin Barzegar, Bela Bauer, Jonathan Becker, Umesh Kumar Bhaskar, Alex Bocharov, Srini Boddapati, David Bohn, Jouri Bommer, Leo Bourdet, Arnaud Bousquet, Samuel Boutin, Lucas Casparis, Benjamin J. Chapman, Sohail Chatoor, Anna Wulff Christensen, Cassandra Chua, Patrick Codd, William Cole, Paul Cooper, Fabiano Corsetti, Ajuan Cui, Paolo Dalpasso, Juan Pablo Dehollain, Gijs de Lange, Michiel de Moor, Andreas Ekefjärd, Tareq El Dandachi, Juan Carlos Estrada Saldaña, Saeed Fallahi, Luca Galletti, Geoff Gardner, Deshan Govender, Flavio Griggio, Ruben Grigoryan, Sebastian Grijalva, Sergei Gronin, Jan Gukelberger, Marzie Hamdast, Firas Hamze, Esben Bork Hansen, Sebastian Heedt, Zahra Heidarnia, Jesús Herranz Zamorano, Samantha Ho, Laurens Holgaard, John Hornibrook, Jinnapat Indrapiromkul, Henrik Ingerslev, Lovro Ivancevic, Thomas Jensen, Jaspreet Jhoja, Jeffrey Jones, Konstantin V. Kalashnikov, Ray Kallaher, Rachpon Kalra, Farhad Karimi, Torsten Karzig, Evelyn King, Maren Elisabeth Kloster, Christina Knapp, Dariusz Kocon, Jonne V. Koski, Pasi Kostamo, Mahesh Kumar, Tom Laeven, Thorvald Larsen, Jason Lee, Kyunghoon Lee, Grant Leum, Kongyi Li, Tyler Lindemann, Matthew Looij, Julie Love, Marijn Lucas, Roman Lutchyn, Morten Hannibal Madsen, Nash Madulid, Albert Malmros, Michael Manfra, Devashish Mantri, Signe Brynold Markussen, Esteban Martinez, Marco Mattila, Robert McNeil, Antonio B. Mei, Ryan V. Mishmash, Gopakumar Mohandas, Christian Mollgaard, Trevor Morgan, George Moussa, Chetan Nayak, Jens Hedegaard Nielsen, Jens Munk Nielsen, William Hedegaard Nielsen, Jens Munk Nielsen, William Hedegaard Nielsen, Jens Munk Nielsen, William Hedegaard Nielsen, Jens Munk Nielsen, William Hedegaard Nielsen, Jens Munk Nielsen, William Hedegaard Nystrom, Eoin O'Farrell, Thomas Ohki, Keita Otani, Brian Paquelet Wütz, Sebastian Pauka, Karl Petersson, Luca Petit, Dima Pikulin, Guen Prawiroatmodjo, Frank Preiss, Eduardo Puchol MoreJon, Mochana Rajke, Eduardo Raje Raje, Mochana Raje, Mochana Raj, Mochana Raj, Eduardo MoreJon, Mochana, Eduardo MoreJon, Mochana, Eduardo MoreJon, Mochana, Mochana, Eduardo, Mochana, Mochana, Mochana, Mochana, Mochana, Mochana Raj Raj, Mochana, Eduardo, Eduardo, Mochana MoreJon, Mochana, Eduardo, Mochana, Mochana, Mochana Myke, Razmadze, Outi Reentila, David J. Reilly, Yuan Ren, Ken Reneris, Richard Rouse, Ivan Sadovskyy, Lauri Sainiemi, Irene Sanlorenzo, Emma Schmidgall, Cristina Sfiligoj, Mustafeez Bashir Shah, Kevin Simoes, Shilpi Singh, Sarat Sinha, Thomas Soerensen, Patrick Sohr, Tomas Stankevic, Lieuwe Stek, Eric Stuppard, Henri Suominen, Judith Suter, Sam Teicher, Nivetha Thiyagarajah, Raj Tholapi, Mason Thomas, Emily Toomey, Josh Tracy, Michelle Turley, Shivendra Upadhay, Ivannom, Ivannom, Ivan. Dmitrii V. Viazmitinov, Dominik Vogel, John Watson, Alex Webster, Joseph Weston, Georg W. Winkler, Di Xu, Chung Kai Yang, Emrah Yucelen, Roland Zeisel, Guoji Zheng dan Justin Zilke, 19 Februari 2025, Alam.
Doi: 10.1038/s41586-024-08445-2
