Microsoft ogłosił niedawno stworzenie czipu Majorana 1, który ma zrewolucjonizować komputery kwantowe. Satya Nadella nazwał go „przełomem” i podkreślił, że napędza go nowy stan materii odkryty dzięki topoprzewodnikom – rewolucyjnej klasie materiałów opracowanych przez Microsoft. Według Nadelli osiągnięcie to może pozwolić zbudować naprawdę użyteczny komputer kwantowy nie w dekady, lecz w kilka lat. Czym jednak jest Majorana 1, jak działa i dlaczego budzi tyle emocji? Przyjrzyjmy się tłu tego odkrycia, technologii topologicznej stojącej za nim oraz opiniom ekspertów na temat tego ambitnego projektu.

 

Komputer kwantowy to urządzenie wykorzystujące prawa mechaniki kwantowej do wykonywania obliczeń. W tradycyjnych komputerach elementarną jednostką informacji jest bit (0 lub 1), natomiast w komputerach kwantowych są to kubity (bity kwantowe). Kubit może przyjmować wartość 0, 1 lub stan będący superpozycją obu naraz – analogicznie jak wirująca moneta, która w trakcie obrotu jednocześnie pokazuje orła i reszkę. Dzięki temu kubity mogą potencjalnie przeprowadzać obliczenia równoległe w niespotykanym dotąd tempie.

Brzmi to obiecująco, ale jest pewien haczyk: stany kwantowe są niezwykle ulotne. Kubit w superpozycji jest bardzo wrażliwy na wszelkie zakłócenia z otoczenia (np. drgania, pole elektromagnetyczne czy temperaturę) i łatwo ulega dekoherencji, tracąc swoją kwantową informację. Co więcej, sam akt obserwacji (pomiaru) kubitu zmienia jego stan, co utrudnia odczyt wyniku obliczeń. Te problemy sprawiają, że zbudowanie dużego, stabilnego komputera kwantowego jest olbrzymim wyzwaniem – kubity wymagają ekstremalnych warunków (m.in. temperatur bliskich zera absolutnego) oraz korekcji błędów, by działać wiarygodnie.

Mimo to naukowcy wierzą, że opanowanie technologii kwantowych odmieni oblicze informatyki. Komputery kwantowe mogłyby rozwiązywać problemy niewykonalne dla najszybszych superkomputerów – od symulacji nowych leków i materiałów, przez optymalizację procesów, po łamanie współczesnych metod szyfrowania. Już dziś korporacje jak IBM, Google czy Microsoft inwestują w rozwój różnych rodzajów kubitów (nadprzewodnikowych, fotonicznych, jonowych i innych). Jednak wszystkie obecne podejścia borykają się z kwestią skalowalności – dodawanie kolejnych kubitów zwiększa też ilość szumów i błędów, co wymaga kosztownych systemów korekcji błędów.

 

W poszukiwaniu bardziej stabilnych kubitów naukowcy zwrócili się ku egzotycznej koncepcji kubitów topologicznych. Pomysł ten, zaproponowany teoretycznie m.in. przez Aleksieja Kitajewa w latach 90., zakłada zakodowanie informacji kwantowej w właściwościach topologicznych układu – czyli globalnych cechach materii, odpornych na lokalne zaburzenia. W praktyce oznacza to wykorzystanie specjalnych stanów materii, w których informacja jest „rozsmarowana” po całym układzie niczym węzeł na lince, a nie skupiona w jednym miejscu. Taki „węzeł kwantowy” jest trudniej rozplątać przypadkowym szumem, co daje nadzieję na o wiele mniejszą podatność kubitów na błędy.

Kluczem do realizacji kubitów topologicznych okazały się fermiony Majorany, zwane też zerowymi modami Majorany. Są to egzotyczne kwazi-cząstki, które są jednocześnie cząstką i swoją własną antycząstką. Ich istnienie przewidział włoski fizyk Ettore Majorana już w 1937 roku, lecz w naturze dotąd ich nie zaobserwowano w swobodnej postaci. Okazuje się jednak, że można je wywołać sztucznie w specjalnie zaprojektowanych nanostrukturach półprzewodnikowo-nadprzewodnikowych. Gdy półprzewodnikowy nanodrut zostanie pokryty nadprzewodnikiem i schłodzony do temperatury bliskiej zeru absolutnemu w obecności silnego pola magnetycznego, na końcach takiego drutu mogą pojawić się pary fermionów Majorany. Każda para Majoran „dzieli” elektrony w układzie – można to porównać do elektronu rozciągniętego na dwa końce drutu. Informacja kwantowa zaszyta jest wówczas we wspólnym stanie dwóch oddalonych od siebie Majoran, przez co lokalne zakłócenie jednego końca nie niszczy od razu całego kubitu.

Co czyni te cząstki przełomowymi? Po pierwsze, ich niezwykła natura (tożsame z antycząstkami) nadaje im właściwości topologiczne, dzięki którym mogą zachowywać pamięć o swoim względnym ułożeniu w układzie. Daje to możliwość wykonywania obliczeń poprzez tzw. splatanie (ang. braiding) – fizyczne zamienianie miejscami dwóch cząstek Majorany. Operacja taka zmienia globalny stan układu w sposób odporny na drobne zaburzenia, co mogłoby posłużyć za stabilne bramki logiczne dla kwantowego procesora. W dużym uproszczeniu, zamiast manipulować pojedynczym atomem czy elektronem, możemy manipulować „węzłem” utworzonym przez wiele elektronów, który trudniej przypadkowo rozwiązać.

Nic dziwnego, że od lat fizycy marzyli o wykorzystaniu Majoran do budowy komputerów kwantowych. Był jednak poważny problem: czy Majorany w ogóle uda się zaobserwować i kontrolować? Przez długi czas pozostawały one bytem czysto teoretycznym, a podjęte kilka lat temu próby ich wytworzenia wzbudziły kontrowersje. W 2018 r. zespół naukowców (w tym z Microsoftu) ogłosił dowody na istnienie Majoran w nanodrucie, lecz później okazało się, że wyniki mogły być błędnie zinterpretowane – artykuł w Nature został wycofany. Mimo tych niepowodzeń Microsoft kontynuował badania i w 2022–2023 r. publikował kolejne dane sugerujące pojawienie się stanów Majorany. Wciąż jednak część społeczności naukowej pozostawała sceptyczna, wskazując że obserwowane sygnały można wytłumaczyć również bardziej konwencjonalnymi efektami. Dopiero teraz, wraz z prezentacją Majorana 1, Microsoft ogłosił definitywne wytworzenie i detekcję cząstek Majorany – co jeśli zostanie w pełni potwierdzone, byłoby osiągnięciem na skalę Nagrody Nobla.

 

Majorana 1 – nowatorski układ kwantowy Microsoftu, który mieści osiem topologicznych kubitów wraz z elektroniką sterującą na chipie wielkości dłoni. Projekt ten wykorzystuje tzw. topoprzewodnik – hybrydę półprzewodnika (arsenek indu, InAs) i nadprzewodnika (aluminium) – aby stworzyć stan materii znany jako nadprzewodnik topologiczny. W skrajnie niskiej temperaturze i silnym polu magnetycznym w takiej strukturze pojawiają się egzotyczne cząstki Majorany, stanowiące bazę dla topologicznych kubitów. Chip Majorana 1 jest demonstracją tej technologii, mającą torować drogę do budowy skalowalnego komputera kwantowego odpornego na błędy dzięki ochronie topologicznej informacji kwantowej.

Nowy procesor Microsoftu składa się z 8 kubitów topologicznych rozmieszczonych na jednym układzie półprzewodnikowym. Co istotne, Majorana 1 zawiera nie tylko same kubity, ale i otaczającą elektronikę kontrolną – całość zaprojektowana tak, by zmieścić się w niewielkim chipie, który można trzymać w dłoni. To duży kontrast wobec dotychczasowych prototypów komputerów kwantowych, wymagających często całych szaf elektroniki sterującej i gąszczu połączeń do obsługi każdego kubitu. Microsoft podkreśla, że Majorana 1 upraszcza architekturę: dzięki specjalnej metodzie odczytu stanów qubitów można sterować nimi cyfrowo (za pomocą impulsów napięciowych niczym przełącznikiem), zamiast precyzyjnie dostrajać dziesiątki analogowych parametrów. Taka standaryzacja kontroli kubitów ma umożliwić ich masowe skalowanie niczym układy scalone.

Sercem pojedynczego kubitu w Majorana 1 jest nanostruktura przypominająca kształtem literę „H”: dwa równoległe nanodruty połączone mostkiem, tworzące cztery końce. Na każdym z tych końców może powstać stan Majorany, a cztery Majorany wspólnie definiują stan jednego kubitu (upraszczając: dwie pary Majoran odpowiadają stanom logicznym 0 i 1). Informacja kwantowa jest tu zakodowana w parzystości liczby elektronów w nadprzewodniku – układ rozróżnia, czy w nanodrutach znajduje się łącznie parzysta czy nieparzysta liczba elektronów. To właśnie ta wielkość (parzystość) jest znacznie mniej czuła na zakłócenia niż typowe właściwości używane do zapisu kubitu (np. stan spinowy pojedynczego elektronu). Można powiedzieć, że kubit „chowa” informację w sprytny sposób – tak, by drobne lokalne zaburzenia jej nie uszkodziły.

 

Opracowanie Majorana 1 wymagało pokonania wielu pionierskich wyzwań z pogranicza fizyki materii skondensowanej i nanotechnologii. Microsoft musiał zaprojektować nowy materiał od podstaw – wspomniany topologiczny nadprzewodnik na bazie InAs-Al – i wytworzyć go z niezwykłą precyzją. Krysta Svore z zespołu Microsoftu opisuje, że proces przypominał układanie materiału atom po atomie: warstwy półprzewodnika i nadprzewodnika muszą idealnie do siebie pasować, bo najmniejszy defekt zabija kubit. Tę unikalną heterostrukturę nazywają topoprzewodnikiem (ang. topological superconductor lub skrótowo topoconductor) – według firmy jest to zupełnie nowa faza materii niebędąca tradycyjnym ciałem stałym, cieczą ani gazem.

Kolejnym kamieniem milowym było wykazanie, że w stworzonym materiale faktycznie pojawiają się stany Majorany i że da się z nich odczytać informację. W tym roku zespół Microsoftu opublikował w Nature recenzowany artykuł, w którym przedstawił dowody na istnienie Majoran w ich urządzeniu oraz metodę jednorazowego odczytu stanu kubitu za pomocą pomiaru interferencyjnego. Mówiąc prościej, badaczom udało się skonstruować układ, który wykrywa różnicę pomiędzy liczbą elektronów parzystą a nieparzystą (czyli rozpoznaje dwie wartości kubitu) z niespotykaną precyzją – potrafi wyczuć zmianę równą zaledwie jednemu elektronowi na miliard!. Co więcej, pomiar ten można włączać i wyłączać sygnałem elektrycznym niczym przełącznik, dzięki czemu odczyt kubitu nie zakłóca go ciągle i nie wymaga skomplikowanego osprzętu. To ogromny postęp w kierunku praktycznego wykorzystania kubitów topologicznych.

Warto zaznaczyć, że Majorana 1 to na razie prototyp. Jak zauważają komentatorzy, sam chip zawierający 8 kubitów nie jest jeszcze pełnym komputerem kwantowym – obecnie nie ma dowodów, by kubity te wykonywały operacje logiczne między sobą. Innymi słowy, Majorana 1 pokazuje, jak można przechowywać i odczytać kwantową informację w kubicie topologicznym, ale nie udowodniono jeszcze realizacji bramek kwantowych (np. splatania Majoran) na tym układzie. Microsoft opublikował jednak wstępny plan rozwoju swojego systemu, w którym opisuje kolejne kroki: m.in. połączenie dwóch nanodrutów w jedną strukturę kubitu (co ma zwiększyć niezawodność), a w dalszej przyszłości – implementację logiki kwantowej poprzez splatanie tych egzotycznych cząstek. Droga do w pełni funkcjonalnego topologicznego procesora kwantowego jest więc jeszcze długa, ale firma przekonuje, że wytyczyła już jasną ścieżkę rozwoju.

 

Dlaczego kubit topologiczny budzi tak wielkie nadzieje? Najprościej mówiąc, oferuje on wbudowaną odporność na błędy, której brakuje innym rozwiązaniom. W standardowych architekturach kubitów (np. nadprzewodnikowych jak u IBM/Google) pojedynczy kubit jest niestabilny, więc buduje się całe układy tzw. kubitów fizycznych, które razem tworzą jednego „lepszego” kubita logicznego korygującego błędy. To jednak drastycznie zwiększa liczbę wymaganych kubitów i komplikację systemu – szacuje się, że do użytecznych obliczeń mogłyby być potrzebne miliony kubitów fizycznych, gdyż większość z nich będzie zajęta korygowaniem błędów innych.

Podejście topologiczne odwraca tę sytuację: błędy korygowane są na poziomie sprzętu, dzięki samej naturze kubitu. Chetan Nayak z Microsoftu (i jednocześnie profesor UCSB) wyjaśnia, że informacja kwantowa w kubicie topologicznym jest rozproszona w całym układzie wielu cząstek zamiast w pojedynczym miejscu. Znika zatem główne źródło błędów – lokalne zakłócenia nie niszczą całej informacji, bo ta ma charakter globalny. W efekcie topologiczne kubity powinny cechować się większą koherencją (dłużej przechowują stan kwantowy) i znacznie rzadziej psują się niż kubity tradycyjne. Rzecz jasna, w praktyce nadal będą wymagały ultraniskich temperatur i starannej inżynierii, ale jeśli podstawowa fizyka zadziała, to liczba koniecznych poprawek (dodatkowych kubitów do korekcji błędów) może spaść o rzędy wielkości.

Microsoft szacuje, że dzięki tej technologii możliwe będzie zbudowanie komputera kwantowego z milionem skutecznych kubitów znacznie szybciej, niż dotychczas uważano. Majorana 1 jest właśnie prototypem takiego rdzenia topologicznego, który docelowo ma pomieścić kubitów na jednym układzie wielkości układu scalonego. To poziom uznawany za próg użyteczności – według Microsoftu dopiero milion kubitów pozwoli wykonywać „transformacyjne, realne obliczenia”, niedostępne nawet dla wszystkich klasycznych komputerów świata działających jednocześnie. Przykładowo, maszyna taka mogłaby w rozsądnym czasie zasymulować złożone reakcje chemiczne, opracować katalizator rozkładający mikroplastik na nieszkodliwe produkty uboczne czy zaprojektować samonaprawiające się materiały dla przemysłu. To nie futurystyczna fantazja – dzisiejsze superkomputery zwyczajnie nie są w stanie dokładnie obliczyć takich procesów, które wymagają rozważenia astronomicznej liczby stanów układu naraz.

Co więcej, topologiczny komputer kwantowy powinien lepiej scalać się z istniejącymi technologiami. Majorana 1 już teraz zaprojektowano tak, by mógł pracować w centrach danych Azure – Microsoft planuje chłodzić te chipy w specjalnych kriostatach i udostępniać ich moc obliczeniową w chmurze. Dzięki temu, gdy urządzenie będzie gotowe, klienci Azure Quantum mogliby korzystać z niego zdalnie, nie martwiąc się o skomplikowaną infrastrukturę. Topologiczny procesor jest też relatywnie niewielki i energetycznie efektywny (po schłodzeniu) w porównaniu z rozbudowanymi systemami innych typów – co ułatwi jego wdrożenie na większą skalę w przyszłości.

Oczywiście, pozostaje pytanie, kiedy te obietnice staną się rzeczywistością. Nadella jest optymistą – mówi o perspektywie kilku lat, nie dziesięcioleci. Microsoft został również wybrany (obok jednego innego podmiotu) do finałowej fazy prestiżowego programu DARPA, który ma na celu zbudowanie użytecznego, skalowalnego komputera kwantowego znacznie szybciej, niż wcześniej sądzono. To oznacza, że niezależni eksperci dostrzegają potencjał tej technologii. Z drugiej strony, w świecie naukowym panuje ostrożność – dopóki kolejne zespoły badawcze nie powtórzą wyników Microsoftu, zawsze istnieje ryzyko, że rzekome Majorany okażą się fałszywym alarmem albo że pojawią się nieprzewidziane problemy przy skalowaniu urządzenia. Historia już pokazała, że dowód istnienia kubitu topologicznego to trudny orzech do zgryzienia, a droga od pojedynczej demonstracji do pełnoprawnego komputera jest wyboista.

 

Prezentacja Majorana 1 wywołała żywe reakcje w środowisku naukowym. Entuzjaści widzą w nim przełom porównywalny wręcz do wynalezienia tranzystora – podstawy rewolucji komputerowej. “Jeśli naprawdę możemy nadrukować topoprzewodnik na chipy wielkości dłoni, będzie to równie rewolucyjne, jak tranzystor krzemowy” – ocenił Troy Nelson, dyrektor technologiczny firmy Lastwall zajmującej się kryptografią post-kwantową. Jego zdaniem Microsoft stworzył nowy fundament, na którym można budować: teraz pozostaje rozwiązać kwestie inżynieryjne produkcji na dużą skalę i obniżenia kosztów, ale kierunek jest obiecujący. Również zespół Microsoftu podkreśla, że wreszcie mają “wszystkie elementy układanki” potrzebne do zrealizowania topologicznego kubitu i mogą przyspieszyć prace nad prawdziwie praktycznym komputerem kwantowym. Fakt opublikowania wyników w Nature i ujawnienia szczegółów konstrukcji (po latach utrzymywania ich w sekrecie) budzi nadzieję, że technologia ta dojrzała do kolejnej fazy rozwoju.

Z drugiej strony sceptycy zwracają uwagę, że dowody przedstawione przez Microsoft nie są jednoznaczne. Wspomniany artykuł w Nature sam zaznacza, że pomiar parzystości elektronów sam w sobie nie rozstrzyga, czy zaobserwowane stany to faktycznie topologiczne Majorany, czy też tzw. stany Andreeva (konwencjonalne efekty nadprzewodzące) umiejętnie dostrojone do niskiej energii. Innymi słowy, potrzebne są dalsze eksperymenty, by potwierdzić bez cienia wątpliwości istnienie pożądanych stanów topologicznych. Niezależni fizycy, jak prof. Bertrand Halperin z Harvardu, podkreślają, że to wciąż wczesny etap – choć dokonano ważnego kroku, wciąż brak twardego konsensusu naukowego, że udało się stworzyć pełnoprawny kubit topologiczny. Dr Henry Legg z University of St. Andrews wyraził się nawet ostrzej: „nie ma dowodów nawet na podstawową fizykę Majoran w tych układach” – stwierdził, komentując wyniki Microsoftu. Tak krytyczne głosy pokazują, że ostrożność jest wskazana, dopóki inne laboratoria nie zweryfikują rezultatów i dopóki nie zostaną zademonstrowane pierwsze operacje logiczne na tych kubitach.

Eksperci spoza środowiska akademickiego również studzą nadmierny optymizm co do tempa rozwoju. Choć akcje Microsoftu poszybowały po ogłoszeniu nowego czipu (inwestorzy wyczuwają potencjał technologii), to np. Jensen Huang, prezes Nvidii, zasugerował niedawno, że realne, szeroko użyteczne komputery kwantowe mogą być wciąż 20 lat w przyszłości. Jego sceptycyzm wynika z dotychczasowego tempa postępów – mimo wielu zapowiedzi, nadal brakuje rozwiązań gotowych rozwiązywać praktyczne problemy. Być może prawda leży pośrodku: Majorana 1 nie oznacza jeszcze, że za rok kupimy laptop kwantowy, ale jest kolejnym z serii znaczących kroków, które przybliżają erę komputera kwantowego szybciej, niż się spodziewano. W końcu jeszcze dekadę temu sam koncept kwantowych układów z ochroną topologiczną wydawał się odległy, a dziś istnieje fizyczny czip go demonstrujący.

 

Osiągnięcie Microsoftu to coś więcej niż wyścig o kwantową dominację – może mieć konsekwencje daleko wykraczające poza samą firmę. Jeśli wyniki Majorana 1 zostaną potwierdzone i technologia topological qubits zadziała zgodnie z obietnicami, cała branża komputerów kwantowych może zmienić obrany kierunek. Zamiast dodawać coraz więcej niestabilnych kubitów i tonąć w korekcji błędów, możliwe stanie się zbudowanie mniejszej liczby znacznie stabilniejszych kubitów, co uprości architekturę kwantowych maszyn. To trochę tak, jakby w początkach informatyki przeskoczyć od skomplikowanych lamp elektronowych od razu do tranzystorów – solidniejszych, szybszych i łatwiejszych do masowej produkcji. Topologiczne kubity mogą stać się nowym standardem hardware’u kwantowego, o ile okażą się praktycznie wykonalne.

Dla świata nauki potwierdzenie istnienia nowego stanu materii (nadprzewodnika topologicznego z Majoranami) będzie doniosłym odkryciem fizycznym. Pogłębi to naszą wiedzę o mechanice kwantowej, cząstkach kondensaturowych i topologii materii skondensowanej. Być może doczekamy się kolejnych Nobli – tak jak stało się to w przypadku odkrycia grafenu czy topologicznych izolatorów, które przecierały szlaki nowym technologiom. Co więcej, komputery kwantowe nowej generacji mogą pomóc w projektowaniu kolejnych rewolucyjnych materiałów – jak zauważa Svore z Microsoftu, przy skalowanych komputerach kwantowych będziemy w stanie symulować i przewidywać materiały o jeszcze lepszych właściwościach do budowy przyszłych maszyn kwantowych. Innymi słowy, kwantowa innowacja będzie napędzać kolejne kwantowe innowacje.

Z perspektywy praktycznej, udany rozwój technologii Majorana 1 przybliża nas do czasów, gdy komputery kwantowe rozwiążą realne problemy. Już dziś wskazuje się potencjalne zastosowania w chemii (np. znalezienie uniwersalnego katalizatora do rozkładu odpadów plastikowych), medycynie (modelowanie złożonych interakcji białek i odkrywanie nowych leków), energetyce (projektowanie wysokowydajnych ogniw i reakcji) czy sztucznej inteligencji. Nadella sugeruje, że kwantowe generowanie danych i symulacje w połączeniu ze sztuczną inteligencją mogą pozwolić trenować modele AI rozumiejące zjawiska chemiczne i fizyczne na zupełnie nowym poziomie. Możliwe więc, że komputery kwantowe nie będą samodzielnym bytem, ale staną się ukrytym mózgiem w chmurze, przyspieszającym postęp w różnych dziedzinach.

Na razie pozostaje czekać na kolejne kroki zespołu Microsoftu i niezależne weryfikacje ich wyników. Majorana 1 jest ekscytującym dowodem na to, że ludzka pomysłowość potrafi ujarzmić nawet najbardziej nieuchwytne zjawiska natury – stworzyć cząstkę, która nie występuje naturalnie, i wykorzystać ją do przechowywania informacji. Jeżeli ta koncepcja się sprawdzi, to faktycznie stoimy u progu nowej ery informatyki. A nawet jeśli napotkamy kolejne przeszkody, już dziś osiągnięcie to rozpala wyobraźnię i pokazuje, ile jeszcze tajemnic skrywa przed nami świat kwantów. Jedno jest pewne: wyścig ku pełnoskalowemu komputerowi kwantowemu przyspiesza, a Majorana 1 wyznaczyła na tej drodze ważny kamień milowy – być może taki, od którego za kilka lat rozpoczniemy odliczanie do kwantowej supremacji o praktycznym znaczeniu.