Sciencemag.cz | Majorana 1 – Microsoft představil topologický kvantový procesor

Jak už proběhlo médii, Microsoft představil osmiqubitový topologický kvantový procesor Majorana 1. Následující shrnutí používá 3 hlavní zdroje:

• článek v Nature
• doprovodný článek na arXiv
• tisková zpráva Microsoftu.

Samozřejmě zájem o věc bývá v těchto případech spojen s celou řadou nedorozumění a zkreslení. Tak snad jen lze doufat, že v následujícím textu jich bude méně než obvykle (ve stylu, že „kvantový počítač počítá v paralelních vesmírech“ apod.).

Začněme tiskovou zprávou Kalifornské univerzity v Santa Barbaře, jejíž vědci měli být právě v čele výzkumného týmu Microsoftu.

• má se jednat o „dávkové“ publikování x objevů, celá řada věcí byla teď oznámena najednou;
• topologický supravodič má být novým stavem hmoty, jeho základem jsou Majoranovy nulové módy (poznámka: zde se jedná trochu o zmatení
• v tom smyslu, že topologické supravodiče již jsou zkoumány delší dobu);
• na publikaci v Nature vědci navázali také článkem, který je v současné době v preprintu na arXiv a který nastiňuje plán, jak jejich technologii rozšířit na plně funkční topologický kvantový počítač (to v samotné publikaci v Nature není, zdá se vyplývat mezi řádky).
• qubity jsou reprezentovány anoyny, kvazičásticemi, která vzniká jako výsledek korelovaných stavů mnoha interagujících částic na povrchu materiálu, v tomto případě supravodivého nanodrátku; anyony nejsou ani bosony, ani fermiony, existují podle všeho pouze ve 2D;
• významné na novém systému má být několik věcí: má v něm být zabudována robustní oprava chyb na úrovni hardwaru (poznámka: qubity mají velkou chybovost, krátkou životnost; pro plošně využitelný kvantový počítač je klíčové dokázat provázat systém logických qubitů; jde o to, kolik fyzických qubitů potřebujeme k tvorbě jednoho logického); „vzhledem k tomu, že kvantová informace je distribuována a uložena v rámci fyzikálního systému, nikoli v jednotlivých částicích nebo atomech, je méně pravděpodobné, že informace zpracovávaná topologickými qubity ztratí svou koherenci, což vede k větší odolnosti systému vůči chybám,“ uvádí průvodní tisková zpráva.
• teď se trošku začneme zamotávat; pro topologické kvantové výpočty jsou vhodným nástrojem Majoranovy částice
• konkrétně Majoranovy nulové módy; tyto částice jsou výjimečné tím, že jsou svými vlastními antičásticemi a jsou schopny uchovat si „paměť“ svých relativních poloh v čase; jejich fyzickým pohybem kolem sebe je možné vytvořit robustnější kvantovou logiku (poznámka: jaký je tedy přesně vztah mezi anyony a Majoránovými nulovými módy?)

Výzkumníci realizovali anynony umístěním polovodičového nanodrátku arsenidu india velmi blízko hliníkového supravodiče. Za správných podmínek se polovodičový drátek stane supravodivým a vstoupí do topologické fáze. Na koncích drátu vznikají Majoránovy nulové módy.

David Aasen et al, Roadmap to fault tolerant quantum computation using topological qubit arrays, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2502.12252 Zdroj: University of California – Santa Barbara / Phys.org

Microsoft se tímto typem kvantových počítačů zabývá již skoro 20 let a není jediný.

Nicméně v nově vydané TZ se praví mj:

• kvantové počítače schopné řešit smysluplné problémy v průmyslovém měřítku zde díky novému objevu budou již za několik let, nikoliv desetiletí;
• nová architektura použitá při vývoji procesoru Majorana 1 nabízí cestu k umístění milionu qubitů na jediný čip, který se vejde do dlaně (poznámka: i viz výše, klíčové ovšem je, kolik fyzických qubitů bude potřeba na jeden logický; také zatím nejde o „celkový“ počítač);
• architekturu odolnost proti chybám na úrovni hardwaru Microsoft označuje za „první topologické jádro na světě“;
• komerčně důležité aplikace budou také vyžadovat biliony operací na milionu qubitů, což by bylo při současných přístupech, které se spoléhají na jemně vyladěné analogové řízení každého qubitu, neúnosné; nový přístup týmu Microsoftu k měření umožňuje ovládat qubity digitálně; což fyzikální požadavky na sestavení škálovatelného stroje;
• kvantové technologie v podání Microsoftu mohou být snadno integrovány (a již do nějaké míry jsou) s cloudem nebo umělou inteligencí; MS Azure Quantum dnes nabízí sadu integrovaných řešení, která zákazníkům umožňují využívat tyto platformy pro umělou inteligenci a vysoce výkonné výpočty;
• podstatnou překážkou technologie v posledních 20 letech bylo, že Majoranovy částice až dosud „nikdo neviděl“; nyní se podařilo nejen vytvořit Majoranovy částice, které pomáhají chránit kvantovou informaci před náhodným narušením, ale také z nich lze tuto informaci spolehlivě odečítat pomocí mikrovln (PH: to je, chápu-li dobře, základ funkčnosti nového čipu); Majoranovy částice skrývají kvantovou informaci, což ji činí odolnější, ale také hůře měřitelnou. Nový je tak přesný, že dokáže zjistit rozdíl mezi miliardou a miliardou a jedním elektronem v supravodivém vodiči – což odpovídá tomu, v jakém stavu se qubit nachází, a tvoří základ pro kvantové výpočty;

Další technické podrobnosti: Topologická qubitová architektura společnosti Microsoft má hliníkové nanodrátky spojené dohromady do tvaru H. Každý H má čtyři ovladatelné majorány a tvoří jeden qubit. Kvantový čip, jak je nyní navržen, funguje v ekosystému s řídicí logikou, chladicím zařízením, které udržuje qubity při teplotách mnohem nižších než je mezihvězdný prostor, a softwarovým zásobníkem, který se může integrovat s umělou inteligencí a klasickými počítači.

Arsedid india se v TZ Microsoftu označuje jako topovodič. Dnes se tato sloučenina používá například např. v infračervených detektorech. Za extrémně nízkých teplot se má jednat o hybrid supravodiče a polovodiče.