اخبار کوانتومی – رونمایی از Majorana 1: اولین تراشه کوانتومی توپولوژیک جهان با 8 کیوبیت توسط مایکروسافت
عنوان خبر: رونمایی از Majorana 1: اولین تراشه کوانتومی توپولوژیک جهان با 8 کیوبیت توسط مایکروسافت
ژانر/موضوع: محاسبات کوانتومی، کیوبیت توپولوژیکی،
تاریخ انتشار خبر: 19 فوریه 2025
لینک خبر: The Quantum Insider
چکیده:
شرکت مایکروسافت شب گذشته تراشه مایورانا ۱ (Majorana 1)، اولین تراشه کوانتومی جهان با معماری توپولوژیکی خود را معرفی کرد که از ابررساناهای توپولوژیکی، توپوکانداکتورها، برای دستکاری ذرات مایورانا استفاده میکند. این ذرات امکان ایجاد کیوبیت‌های پایدارتر و مقیاس‌پذیرتر را فراهم میکنند و چالش‌های سیستم‌های کوانتومی سنتی در زمینه نرخ خطا را برطرف میکنند.طراحی این چیپ وعده رسیدن به مقیاس یک میلیون کیوبیت را میدهد که برای حل مسائل پیچیده در زمینه‌های علم مواد، بهداشت و شیمی ضروری است. با بهره‌گیری از کیوبیت‌های توپولوژیکی مبتنی بر حالت‌های صفر مایورانا، این چیپ امکان کنترل دیجیتال کیوبیت‌ها را فراهم می‌آورد و محاسبات کوانتومی را ساده‌تر میکند. نوآوری‌های کلیدی از جمله اندازه‌گیری ظرفیت کوانتومی و تشخیص دقیق fermion parity، پایه‌گذار سیستم‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر هستند.
شرح کامل خبر:
دستاورد جدید شرکت مایکروسافت در مورد تراشه مایورانا ۱، اولین تراشه کوانتومی جهان که از معماری جدید توپولوژیکی استفاده میکند، گامی بزرگ در حوزه محاسبات کوانتومی است. این اعلام نه تنها اولین گام بزرگ به سوی ساخت کامپیوتر کوانتومی با یک میلیون کیوبیت است، بلکه رویکردی انقلابی در طراحی سخت‌افزار کوانتومی ارائه میدهد. تراشه مایورانا ۱ از ماده‌ای جدید به نام توپوکانداکتورها، یا ابررساناهای توپولوژیکی، استفاده میکند که کلاس جدیدی از مواد هستند و توانایی منحصر به فردی در دستکاری ذرات مایورانا دارند. این ذرات ویژگی‌های کوانتومی عجیبی دارند که می‌تواند نحوه مواجهه با محاسبات کوانتومی را دگرگون کند و پایداری و مقاومت در برابر خطا را ارائه دهد، ویژگی‌هایی که برای ساخت سیستم‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر ضروری هستند.
چالش‌ها و راه‌حل‌های محاسبات کوانتومی
رویکردهای سنتی محاسبات کوانتومی با موانع زیادی در مقیاس‌بندی به سیستم‌های بزرگ‌تر که قادر به حل مشکلات واقعی و صنعتی باشند، روبرو هستند. یکی از بزرگترین چالش‌ها، نرخ خطا مرتبط با کیوبیت‌ها، واحدهای پایه‌ای محاسبات کوانتومی است. در بیشتر سیستم‌های کوانتومی امروزی، کیوبیت‌ها بسیار شکننده هستند و به دخالت نویزهای خارجی حساس‌اند که باعث خطا در محاسبات کوانتومی می‌شود. این خطاها با افزایش تعداد کیوبیت‌ها بیشتر می‌شوند و مقیاس‌بندی سیستم‌های کوانتومی به میلیون‌ها کیوبیت را دشوار میکنند—حد آستانه‌ای که برای حل مشکلات معنی‌دار ضروری است.
در پاسخ به این چالش‌ها، مایکروسافت از مفهوم کیوبیت‌های توپولوژیکی استفاده کرده است که بر اساس آنیون‌های غیر ابلی استوار هستند. این ذرات کوانتومی عجیب، زمانی که به درستی دستکاری شوند، می‌توانند حالات کوانتومی محافظت‌شده توپولوژیکی را نشان دهند که در برابر اختلالات محلی مقاوم‌اند و منجر به کیوبیت‌های پایدارتر می‌شوند. تراشه کوانتومی مایورانا ۱ از این کیوبیت‌های توپولوژیکی استفاده میکند که بر اساس مفهومی نظری در فیزیک ماده چگال به نام حالت‌های صفر مایورانا (MZMs) ساخته شده است. ذرات مایورانا، ذرات ضد خود یا همان self-antiparticles هستند که در شرایط خاص در سیستم‌های ابررسانای با بعد پایین ظاهر می‌شوند. این ذرات در برابر اختلالات محلی مقاوم بوده و پایه و اساس محاسبات کوانتومی توپولوژیکی را تشکیل می‌دهند.
طراحی هسته توپولوژیکی مایورانا ۱، همان‌طور که مایکروسافت توضیح میدهد، به‌منظور ایجاد یک پردازنده کوانتومی با پایداری بالا و مقیاس‌پذیر طراحی شده است. این طراحی نه تنها بر قابلیت کیوبیت در انجام عملیات تمرکز دارد بلکه بر مقاومت آن در برابر خطاها، هم در سطح کیوبیت و هم در سطح سخت‌افزار، تأکید دارد. این استراتژی بسیار حیاتی است زیرا آینده محاسبات کوانتومی بر توانایی مدیریت میلیون‌ها کیوبیت بدون غرق شدن در چالش‌های مقیاس‌پذیری و اصلاح خطاهایی که موانع فعلی محاسبات کوانتومی هستند، متکی است.
توپوکانداکتورها و حالت‌های صفر مایورانا
در قلب تراشه کوانتومی مایورانا ۱ استفاده از توپوکانداکتورها یا ابررساناهای توپولوژیکی قرار دارد. این مواد توانایی القای تشکیل حالت‌های صفر مایورانا را در لبه‌ها یا نقص‌های خود دارند که برای پیاده‌سازی کیوبیت‌های توپولوژیکی ضروری هستند. در ابررساناهای سنتی، الکترون‌ها جفت‌های کوپر تشکیل می‌دهند که باعث ایجاد ابررسانایی می‌شوند. اما در ابررساناهای توپولوژیکی، سیستم حالت‌های عجیبی را پشتیبانی میکند که در آن ذرات مایورانا می‌توانند در انتهای ساختارهای یک‌بعدی مانند نانوسیم‌ها وجود داشته باشند. این حالت‌های صفر مایورانا می‌توانند برای انجام عملیات کوانتومی دستکاری شوند که از ناهمدوسی (از بین رفتن اطلاعات کوانتومی) محافظت می‌شوند، که مشکلی بزرگ در سیستم‌های کوانتومی با استفاده از کیوبیت‌های سنتی است.
سیستم مواد خاصی که مایکروسافت برای ایجاد کیوبیت‌های توپولوژیکی خود انتخاب کرده است، شامل مواد آرسنید ایندیم (InAs) و آلومینیوم (Al) است که به خاطر توانایی‌شان در ایجاد محیط مناسب برای میزبانی حالت‌های صفر مایورانا شناخته می‌شوند. معماری مایورانا ۱ از ساختارهای نامتجانس (heterostructures) آرسنید ایندیم-آلومینیوم استفاده میکند که همراه با یک نانوسیم ابررسانای تعریف‌شده توسط گیت است. این تنظیمات اجازه می‌دهند که کنترل دقیقی برای القا و اندازه‌گیری ذرات مایورانا انجام شود که برای تحقق محاسبات کوانتومی توپولوژیکی ضروری است.
یکی از نوآوری‌های کلیدی که در تحقیقات همراه آن نشان داده شده است، توانایی اندازه‌گیری پاریتی فرمیون‌ها یا fermion parity در حالت‌های صفر مایورانا از طریق اندازه‌گیری‌های ظرفیت خازنی کوانتومی است. دستگاه شامل تنظیماتی است که در آن یک نانوسیم در مجاورت قرار گرفته یا همان proximitized nanowire (یک سیم که به یک ابررسانا متصل شده است و قادر به میزبانی حالت‌های مایورانا است) به صورت تونلی به نقاط کوانتومی کوپل شده است (tunnel-coupled). این نقاط کوانتومی، زمانی که با نانوسیم کوپل می‌شوند، تغییراتی در ظرفیت خازنی کوانتومی خود نشان می‌دهند که بر اساس وضعیت کوانتومی حالت‌های مایورانا است. این تغییر می‌تواند با نسبت سیگنال به نویز (SNR) 1 در ۳.۶ میکروثانیه اندازه‌گیری شود، که امکان اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق پاریتی فرمیون را فراهم میکند.
توانایی اندازه‌گیری دقیق پاریتی فرمیون بسیار حیاتی است زیرا کمک میکند وضعیت کوانتومی سیستم را تعیین کند، که عملیاتی کلیدی در محاسبات کوانتومی توپولوژیکی است. توانایی شناسایی و دستکاری ذرات مایورانا با دقت بالا درهای سیستم‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر و مقاوم در برابر خطا را می‌گشاید که می‌توانند در کاربردهای عملی استفاده شوند.
مسیر به سوی یک میلیون کیوبیت
یکی از جذاب‌ترین جنبه‌های تراشه مایورانا ۱ پتانسیل آن برای مقیاس‌بندی است. هدف مایکروسافت ساخت کامپیوترهای کوانتومی است که قادر به رسیدن به یک میلیون کیوبیت در یک تراشه باشند. دستیابی به این هدف نیازمند غلبه بر چالش‌های فنی بسیاری از جمله کاهش نرخ خطاها، بهبود زمان‌های همدوسی کیوبیت‌ها و مدیریت پیچیدگی عظیم سیستم‌های کوانتومی بزرگ است. توسعه معماری کیوبیت‌های پایدار و محافظت‌شده توپولوژیکی که می‌توانند مقیاس‌پذیر شوند، کلید تحقق این چشم‌انداز است. تراشه مایورانا ۱ مایکروسافت اولین تلاش موفق برای ساخت چنین سیستمی است که از ترکیبی از مواد نوین، تکنیک‌های اندازه‌گیری ظرفیت کوانتومی و کنترل دیجیتال کیوبیت استفاده میکند.
کاربردهای عملی و تأثیر آینده
کاربردهای بالقوه کامپیوترهای کوانتومی مقیاس‌پذیر بسیار گسترده است. تراشه مایورانا ۱ با توانایی مقیاس‌بندی به میلیون‌ها کیوبیت، وعده باز کردن راه‌حل‌هایی برای برخی از چالش‌های بزرگ جهان را میدهد، بسیاری از این مشکلات هم‌اکنون برای کامپیوترهای کلاسیک حل‌ناشدنی هستند. در زمینه شیمی، به عنوان مثال، کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند تعاملات مولکولی پیچیده را با دقت بی‌سابقه شبیه‌سازی کنند، که ممکن است به پیشرفت‌هایی در کشف دارو، علم مواد و تولید انرژی منجر شود.
یک مثال خاص، تلاش برای درک خوردگی مواد است که می تواند منجر به توسعه مواد خود ترمیم شونده برای زیرساخت هایی مانند پل ها یا هواپیماها شود. همچنین می‌توان به توسعه کاتالیزورهایی اشاره کرد که قادر به تجزیه میکروپلاستیک‌ها هستند، یک نگرانی زیست‌محیطی در حال رشد. کامپیوترهای کوانتومی همچنین می‌توانند رفتار آنزیم‌ها را به طور مؤثرتری شبیه‌سازی کنند که منجر به پیشرفت‌هایی در بهداشت و کشاورزی، مانند افزایش باروری خاک یا ترویج رشد محصولات پایدار در شرایط سخت شود.
در صنایعی مانند تولید و توسعه محصول، توانایی شبیه‌سازی و بهینه‌سازی طراحی‌ها در سطح مولکولی می‌تواند منجر به تولید محصولات مؤثرتر و کارآمدتر شود، از الکترونیک‌ها تا مواد پایدار. محاسبات کوانتومی می‌تواند اساساً نحوه برخورد مهندسان و دانشمندان با طراحی را تغییر دهد و به آنها امکان دهد مواد یا محصولات جدید را در اولین تلاش خود ایجاد کنند—که به طور قابل توجهی آزمایش و خطا را کاهش میدهد و نوآوری را بهبود می‌بخشد.
DARPA و همکاری با صنعت
پیشرفت‌های مایکروسافت در توسعه کیوبیت‌های توپولوژیکی و مقیاس‌پذیری آنها به یک میلیون کیوبیت، توجه بازیکنان مهم صنعت از جمله آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی (DARPA) را جلب کرده است. این آژانس که تحقیقاتی پیشرفته برای کاربردهای امنیت ملی تأمین میکند، مایکروسافت را به‌عنوان یکی از دو شرکت انتخاب کرده است تا وارد مرحله نهایی برنامه “سیستم‌های کشف نشده برای محاسبات کوانتومی مقیاس‌پذیر” (US2QC) شود. این برنامه هدف دارد اولین کامپیوتر کوانتومی مقیاس‌پذیر و مقاوم در برابر خطا را ارائه دهد که قادر به حل مسائل عملی به طور سریع‌تر و کارآمدتر از سیستم‌های متداول باشد. به علاوه، مایکروسافت با سایر شرکت‌های پیشرو در محاسبات کوانتومی، مانند Quantinuum و Atom Computing، همکاری کرده است تا مرزهای فناوری کوانتومی فعلی را گسترش دهد و به مرز جدیدی از محاسبات کوانتومی برسد.
منابع:
[2] https://thequantuminsider.com/2025/02/19/microsofts-majorana-topological-chip-an-advance-17-years-in-the-making/
[3] https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
