Microsoft minulý týden odhalil nový kvantový čip s názvem Majorana 1, který podle společnosti využívá zcela nový stav hmoty. Nové technologické řešení by mohlo znamenat revoluci v oblasti kvantových počítačů, které by se díky ní mohly stát realitou v horizontu let, nikoli desetiletí, jak tvrdí vývojáři.
Kvantové počítače slibují schopnost řešit složité problémy, které jsou pro současné výpočetní systémy neřešitelné – od vývoje nových léků přes optimalizaci logistických řetězců až po vývoj řešení pro rozklad mikroplastů na neškodné vedlejší produkty. Dosud však narážely na mnoho technických překážek. Microsoft tvrdí, že jeho nový přístup by mohl tyto překážky překonat.
Co je to topologický qubit?
Na rozdíl od běžných počítačů, které pracují s bity (hodnoty 0 a 1), kvantové počítače využívají qubity, které mohou existovat v kombinaci obou stavů současně. Problémem tradičních qubitů je jejich extrémní citlivost na vnější rušení, což vede k chybám ve výpočtech.
Zatímco ve škole jsme se učili o třech základních stavech hmoty (pevném, kapalném a plynném), Microsoft tvrdí, že vytvořil čtvrtý stav – topologický stav. Ten je založen na netradičním stavu hmoty.
„Před sto lety matematici předpověděli jeden takový nový stav hmoty: topologický stav. A od té doby výzkumníci hledali velmi specifickou, velmi užitečnou kvazi-částici v něm, Majoranovu částici,“ vysvětluje Krysta Svore, technická specialistka Microsoftu. „V loňském roce se nám ji podařilo poprvé pozorovat. A letos jsme schopni ji ovládat a využívat její jedinečné vlastnosti k vytvoření topokonduktoru, nového typu polovodiče, který funguje také jako supravodič.“
Jednou z užitečných vlastností Majoranovy kvazi-částice je to, že je svou vlastní antičásticí. To v praxi znamená, že je mnohem odolnější vůči ztrátě kvantových informací, což je hlavní překážka kvantových výpočtů.
Jak Majorana 1 funguje
Zařízení používá supravodivý nanodrát vyrobený z arsenidu india, který spojuje dva topovodivé dráty do tvaru písmene H. Poté pomocí magnetických polí a supravodičů manipuluje s Majoranovými kvazi-částicemi, které se objevují na koncích tohoto H-tvaru.
V materiálech, které vykazují supravodivé vlastnosti při velmi nízkých teplotách, se dva elektrony spojují a vytvářejí tzv. Cooperovy páry. Jakýkoli nepárový elektron přidaný do systému vstupuje do excitovaného stavu a rozdíl energie mezi těmito dvěma stavy může fungovat jako jedničky a nuly v počítačích.
V čipu Majorana 1 Microsoft uvádí, že elektron je sdílen mezi dvěma Majoranovými kvazi-částicemi v delokalizovaném stavu. Pomocí pečlivých měření prováděných pomocí mikrovln tvrdí, že jsou schopni rozlišit mezi miliardou a miliardou a jedním elektronem v supravodivém drátu, čímž počítači sdělují, v jakém stavu se qubity nacházejí.
„Udělali jsme krok zpět a řekli si: ‚Dobře, vynalezněme tranzistor pro kvantový věk. Jaké vlastnosti musí mít?‘“ říká Chetan Nayak, inženýr z Microsoftu. „A to je skutečně to, jak jsme se sem dostali – je to konkrétní kombinace, kvalita a důležité detaily v naší nové materiálové struktuře, které umožnily nový typ qubitu a nakonec celou naši architekturu.“
Výhody oproti stávajícím přístupům jsou značné
Tradiční přístupy ke kvantovým počítačům se potýkají s problémem „dekoherence“ – když se pokusíte přečíst informace uložené v qubitu, ztratí své kvantové vlastnosti a přemění se na klasický bit, který uchovává pouze jednu hodnotu: 1 nebo 0. To znamená základní problém: jak postavit počítač, když se vám rozpadne, kdykoli ho použijete?
Společnosti jako Google řeší tento problém složitými matematickými metodami opravy chyb. Microsoft věří, že může tento problém vyřešit rychleji, protože topologické qubity se chovají jinak a teoreticky je méně pravděpodobné, že zkolabují, když někdo přečte informace, které uchovávají.
Microsoft vyvíjel čip Majorana dlouhých 17 let. Foto: Se souhlasem společnosti Microsoft
Zásadní výhodou přístupu Microsoftu je, že jejich topologický qubit je z podstaty mnohem odolnější vůči chybám než jiné typy. Zatímco tradiční qubity vyžadují složité opravné kódy a musí pracovat v extrémně stabilních podmínkách, topologické qubity od Microsoftu nabízejí přirozenou ochranu proti chybám.
V prosinci Google představil experimentální kvantový počítač, který potřeboval pouhých pět minut k dokončení výpočtu, který by většině superpočítačů trvalo 10 septilionů let – déle než je stáří známého vesmíru. Technologie Microsoftu by mohla předběhnout metody vyvíjené Googlem, pokud se její deklarované vlastnosti potvrdí v praxi.
Skeptické hlasy žádají ověření objevu
Ačkoli zprávy z Microsoftu znějí slibně, řada odborníků zůstává skeptických. Zatímco Microsoft publikoval průběžné výsledky, ty podle informací v odborném článku „samy o sobě neurčují, zda jsou nízkoenergetické stavy detekované interferometrií topologické“.
„Pokud budeme provádět více typů měření, bude stále těžší vysvětlit naše výsledky netopologickými modely,“ říká Nayak pro časopis Nature. Jason Alicea, profesor teoretické fyziky na Kalifornském technologickém institutu, zpochybňuje, zda společnost skutečně vytvořila topologický qubit. Upozorňuje, že chování kvantových systémů je často těžké prokázat.
„Topologický qubit je v principu možný a lidé souhlasí s tím, že je to cenný cíl,“ řekl Dr. Alicea. „Musíte však ověřit, že se zařízení chová všemi magickými způsoby, které teorie předpovídá; jinak může být realita pro kvantové výpočty méně růžová. Naštěstí je Microsoft nyní připraven to vyzkoušet.“
Opatrnost je na místě i proto, že předchozí studie tvrdící, že objevily Majoranovy stavy, byly v minulosti staženy. Vědecká komunita proto čeká na důkladnější ověření tvrzení společnosti Microsoft.
Cílem je milion qubitů
Dalším problémem, jakmile se potvrdí, že se opravdu děje to, co Microsoft tvrdí, je škálování. V současné době vytvořili čip s osmi topologickými qubity, ale jejich cílem je jeden milion. Přesto tvrdí, že s těmito čipy by další generace kvantových počítačů mohla vykonávat užitečnou, spolehlivou práci v řádu let, nikoli desetiletí.
Microsoft uvádí, že topovodič nabízí cestu k vývoji kvantových systémů, které mohou škálovat až na milion qubitů – ty jsou křehkými stavebními bloky kvantových počítačů, analogickými k jedničkám a nulám, které používají současné počítače.
Současná verze čipu ještě komplexní kvantové výpočty nezvládá. Do několika let by však mohl být výkonný kvantový počítač s novým materiálem realitou. Foto: Se souhlasem společnosti Microsoft
To by nakonec mohlo vytvořit nejsilnější počítače dosud, založené na kvantové mechanice spíše než na klasické fyzice, které by byly schopné řešit vysoce komplexní průmyslové a společenské problémy.
Mohou zahrnovat rozklad mikroplastů na neškodné vedlejší produkty, vynalezení samoopravných materiálů pro stavebnictví, výrobu nebo zdravotnictví, řešení složitých problémů logistických dodavatelských řetězců nebo prolomení šifrovacích kódů.
Do kvantových počítačů investuje USA, Čína i Evropa
Pokroky v kvantových počítačích již mají i geopolitické důsledky. Zatímco Spojené státy zkoumají kvantové výpočty především prostřednictvím korporací jako Microsoft a vlnou startupů, čínská vláda uvedla, že do této technologie investuje 15,2 miliardy dolarů. Evropská unie se zavázala investovat 7,2 miliardy dolarů.
Začátkem tohoto měsíce americká Agentura pro pokročilé obranné výzkumné projekty (DARPA) vybrala topovodič Microsoftu jako jednu ze dvou cest ke kvantovým výpočtům, které zkoumá v rámci programu, jehož cílem je určit, zda je možné postavit průmyslově užitečný kvantový počítač do roku 2033, mnohem rychleji než uvádí většina předpovědí.
Druhý přístup vytváří firma PsiQuantum, která používá křemíkovou fotoniku, tedy technologii založenou na světelných vlnách, k vytvoření kvantového počítače založeného na mřížkové struktuře fotonických qubitů.
A proč se o kvantové počítače zajímá zrovna DARPA? kvantové počítače by mohly být natolik výkonné, že by dokázaly prolomit šifrování, které chrání národní tajemství. V rukou nepřátelských aktérů by taková technologie představovala významné bezpečnostní riziko.
Jaký bude praktický dopad kvantových počítačů?
Microsoft zaujal v oblasti kvantových počítačů odlišný přístup než většina jeho konkurentů. Zatímco pokrok společnosti byl pomalý v porovnání s některými jinými společnostmi, zaměřila se místo toho na „dlouhou hru“ tím, že pracovala na systému, který je inherentně odolnější vůči šumu a rušení než křehké základní kvantové počítače, které konkurenti staví již několik let.
Jak poznamenal Paul Stevenson, profesor fyziky na University of Surrey, „Pokud se tvrzení společnosti Microsoft potvrdí a podaří se jí škálovat svou technologii, mohla by být významným hráčem v závodě o vybudování prvních spolehlivých kvantových počítačů.“
Pro běžného člověka může být těžké představit si praktický dopad kvantových počítačů. Přesto je zřejmé, že pokud Microsoft nebo jiný hráč uspěje ve vytvoření spolehlivého, škálovatelného kvantového počítače, důsledky budou dalekosáhlé. Od revoluce v lékařské vědě přes pokroky v materiálovém inženýrství až po přelomy v umělé inteligenci. Kvantové počítače by mohly urychlit vědecký pokrok způsobem, který je dnes těžké předvídat.
Nyní je otázkou, zda Microsoft skutečně našel klíč k odemknutí praktického kvantového počítače, nebo zda topologický přístup bude vyžadovat ještě mnoho let výzkumu, než se stane realitou. Odpověď na tuto otázku bude mít hluboký dopad na budoucnost výpočetní techniky a technologií obecně.
