Microsoft a introduit aujourd’hui Majorana 1, la première puce quantique au monde propulsée par une nouvelle architecture de base topologique qui, selon elle, réalisera des ordinateurs quantiques capables de résoudre des problèmes significatifs à l’échelle industrielle en années, pas des décennies.
De la même manière que l’invention des semi-conducteurs a rendu possible les smartphones, les ordinateurs et l’électronique d’aujourd’hui, topoconducteurs et nouveau type de puce qu’ils permettent Offrez un chemin vers le développement de systèmes quantiques qui peuvent évoluer à un million de qubits et sont capables de résoudre les problèmes industriels et sociétaux les plus complexes, a déclaré Microsoft.
«Nous avons pris un pas en arrière et avons dit:« OK, inventons le transistor pour l’âge quantique. Quelles propriétés a-t-elle besoin? »», A déclaré Chetan Nayak, boursier technique de Microsoft. “Et c’est vraiment ainsi que nous sommes arrivés ici – c’est la combinaison particulière, la qualité et les détails importants de notre nouvelle pile de matériaux qui ont permis un nouveau type de qubit et, finalement, toute notre architecture.”
Le Majorana 1. Photo de John Brecher pour Microsoft.
Cette nouvelle architecture utilisée pour développer le processeur Majorana 1 offre un chemin clair pour s’adapter à un million de qubits sur une seule puce qui peut tenir dans la paume de la main, a déclaré Microsoft. Il s’agit d’un seuil nécessaire pour que les ordinateurs quantiques fournissent des solutions transformatrices et réelles – telles que la décomposition des microplastiques en sous-produits inoffensifs ou l’invente des matériaux d’auto-guérison pour la construction, la fabrication ou les soins de santé. Tous les ordinateurs actuels du monde qui opérent ensemble ne peuvent pas faire ce qu’un ordinateur quantique de qubit d’un million pourra faire.
«Tout ce que vous faites dans l’espace quantique doit avoir un chemin vers un million de qubits. Si ce n’est pas le cas, vous allez frapper un mur avant d’arriver à l’échelle à laquelle vous pouvez résoudre les problèmes vraiment importants qui nous motivent », a déclaré Nayak. «Nous avons en fait travaillé un chemin vers un million.»
Le topoconducteur, ou supraconducteur topologique, est une catégorie spéciale de matériel qui peut créer un état de matière entièrement nouveau – pas un solide, un liquide ou un gaz mais un état topologique. Ceci est exploité pour produire un qubit plus stable qui est rapide, petit et peut être contrôlé numérique, sans les compromis requis par les alternatives actuelles. Un nouvel article publié mercredi dans Nature décrit comment les chercheurs de Microsoft ont pu créer les propriétés quantiques exotiques du qubit topologique et les mesurer également avec précision, une étape essentielle pour l’informatique pratique.
Chetan Nayak, boursier technique de Microsoft. Photo de John Brecher pour Microsoft.
Le premier noyau topologique au monde alimentant le Majorana 1 est fiable par conception, incorporant une résistance aux erreurs au niveau matériel, ce qui le rend plus stable.
Les applications importantes sur le commerce nécessiteront également des milliards d’opérations sur un million de qubits, ce qui serait prohibitif avec les approches actuelles qui reposent sur un contrôle analogique affiné de chaque qubit. La nouvelle approche de mesure de l’équipe Microsoft permet aux Qubits d’être contrôlés numériquement, de redéfinir et de simplifier considérablement le fonctionnement de l’informatique quantique.
Ces progrès valident le choix de Microsoft il y a des années pour poursuivre une conception de qubit topologique – un défi scientifique et d’ingénierie à haut risque, à forte récompense qui porte désormais ses fruits. Aujourd’hui, la société a placé huit qubits topologiques sur une puce conçue pour passer à un million.
Matthias Troyer, boursier technique de Microsoft. Photo de John Brecher pour Microsoft.
«Dès le début, nous voulions faire un ordinateur quantique pour un impact commercial, pas seulement le leadership éclairé», a déclaré Matthias Troyer, boursier technique de Microsoft. «Nous savions que nous avions besoin d’un nouveau qubit. Nous savions que nous devions évoluer. »
Cette approche a conduit la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), une agence fédérale qui investit dans des technologies révolutionnaires qui sont importantes pour la sécurité nationale, pour inclure Microsoft dans un programme rigoureux pour évaluer si les technologies informatiques quantiques innovantes pourraient construire des systèmes quantiques quantum commercialement plus rapidement que conventionnellement cru possible.
Microsoft est maintenant l’une des deux sociétés à être invité à passer à la phase finale du programme de compromis quantum (US2QC) de Systems de Darpa pour le programme quantique (US2QC) – l’un des programmes qui constitue Initiative d’analyse comparative quantique – qui vise à livrer le premier ordinateur quantique tolérant à l’échelle des services publics de l’industrie, ou dont celui dont la valeur de calcul dépasse ses coûts.
‘Cela vous donne juste la réponse’
En plus de fabriquer son propre matériel quantique, Microsoft s’est associé à Quantinuum et Atom Computing pour atteindre Percères scientifiques et d’ingénierie avec les qubits d’aujourd’hui, y compris l’annonce l’année dernière premier ordinateur quantique fiable de l’industrie.
Ces types de machines Offrez des opportunités importantes pour développer des compétences quantiquesCréer des applications hybrides et conduire de nouvelles découvertes, en particulier en tant qu’IA, est combinée avec de nouveaux systèmes quantiques qui seront alimentés par un plus grand nombre de qubits fiables. Aujourd’hui, Azure Quantum offre un suite de solutions intégrées Permettre aux clients de tirer parti de ces principaux plates-formes informatiques et quantiques à exploiter les principales plates-formes de calcul et quantiques pour faire progresser la découverte scientifique.
Mais atteindre l’horizon suivant de l’informatique quantique nécessitera une architecture quantique qui peut fournir un million de qubits ou plus et atteindre des milliards d’opérations rapides et fiables. L’annonce d’aujourd’hui met cet horizon en quelques années, pas des décennies, a déclaré Microsoft.
Parce qu’ils peuvent utiliser la mécanique quantique pour cartographier mathématiquement la façon dont la nature se comporte avec une précision incroyable – des réactions chimiques aux interactions moléculaires et aux énergies enzymatiques – les machines à million de qubit devraient être en mesure de résoudre certains types de problèmes de chimie, de science des matériaux et d’autres industries impossibles impossible Pour que les ordinateurs classiques d’aujourd’hui se calculent avec précision.
- Par exemple, ils pourraient aider à résoudre la question de la chimie difficile de savoir pourquoi les matériaux souffrent de corrosion ou de fissures. Cela pourrait entraîner des matériaux d’auto-guérison qui réparent les fissures dans les ponts ou les pièces d’avion, les écrans de téléphone brisés ou les portes de voiture rayées.
- Parce qu’il y a tellement de types de plastiques, il n’est actuellement pas possible de trouver un catalyseur unique qui peut les décomposer – particulièrement important pour nettoyer les microplastiques ou lutter contre la pollution du carbone. L’informatique quantique pourrait calculer les propriétés de ces catalyseurs pour décomposer les polluants en sous-produits précieux ou développer des alternatives non toxiques en premier lieu.
- Les enzymes, une sorte de catalyseur biologique, pourraient être exploitées plus efficacement dans les soins de santé et l’agriculture, grâce à des calculs précis sur leur comportement que seul l’informatique quantique peut fournir. Cela pourrait conduire à des percées contribuant à éradiquer la faim mondiale: stimuler la fertilité des sols pour augmenter les rendements ou favoriser la croissance durable des aliments dans les climats sévères.
Surtout, l’informatique quantique pourrait permettre aux ingénieurs, aux scientifiques, aux entreprises et aux autres de concevoir simplement les choses correctement la première fois – ce qui serait transformateur pour tout, des soins de santé au développement de produits. La puissance de l’informatique quantique, combinée avec des outils d’IA, permettrait à quelqu’un de décrire quel type de nouveau matériel ou de molécule qu’il souhaite créer en langage clair et d’obtenir une réponse qui fonctionne immédiatement – pas de conjecture ni d’années d’essais et d’erreurs.
«Toute entreprise qui fait n’importe quoi pourrait simplement la concevoir parfaitement la première fois. Cela vous donnerait simplement la réponse », a déclaré Troyer. «L’ordinateur quantique enseigne à l’AI la langue de la nature afin que l’IA puisse simplement vous dire la recette de ce que vous voulez faire.»
Repenser l’informatique quantique à grande échelle
Les qubits sont capricieux et très sensibles aux perturbations et aux erreurs qui proviennent de leur environnement, ce qui les fait s’effondrer et la perte d’informations. Leur état peut également être affecté par la mesure – un problème car la mesure est essentielle pour le calcul. Un défi inhérent consiste à développer un qubit qui peut être mesuré et contrôlé, tout en offrant une protection contre le bruit environnemental qui les corrompt.
Les Qubits peuvent être créés de différentes manières, chacun avec des avantages et des inconvénients. Il y a près de 20 ans, Microsoft a décidé de poursuivre une approche unique: le développement de qubits topologiques, qui, selon lui, offrirait des qubits plus stables nécessitant une correction d’erreur moins, débloquant ainsi la vitesse, la taille et la contrôlabilité des avantages. L’approche a posé une courbe d’apprentissage abrupte, nécessitant des percées scientifiques et ingénieuses inexplorées, mais aussi le chemin le plus prometteur pour créer des qubits évolutifs et contrôlables capables de faire un travail commercialement précieux.
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Les majorts masquent les informations quantiques, ce qui les rend plus robustes, mais aussi plus difficiles à mesurer. La nouvelle approche de mesure de l’équipe de Microsoft est si précise qu’elle peut détecter la différence entre un milliard et un milliard et un électrons dans un fil supraconducteur – qui indique à l’ordinateur quel indique le qubit et constitue la base du calcul quantique.
Les mesures peuvent être activées et désactivées avec des impulsions de tension, comme le blindage d’un interrupteur d’éclairage, plutôt que des cadrans de finening pour chaque qubit individuel. Cette approche de mesure plus simple qui permet le contrôle numérique simplifie le processus informatique quantique et les exigences physiques pour construire une machine évolutive.
Le qubit topologique de Microsoft a également un avantage sur les autres qubits en raison de sa taille. Même pour quelque chose de minuscule, il y a une zone «Goldilocks», où un qubit trop petit est difficile à exécuter des lignes de contrôle, mais un qubit trop big nécessite une énorme machine, a déclaré Troyer. L’ajout de la technologie de contrôle individualisée pour ces types de qubits nécessiterait de construire un ordinateur peu pratique de la taille d’un hangar d’avion ou d’un terrain de football.
Majorana 1, la puce quantique de Microsoft qui contient à la fois des qubits ainsi que l’électronique de contrôle environnante, peut être maintenue dans la paume de la main et s’intègre parfaitement dans un ordinateur quantique qui peut être facilement déployé à l’intérieur des centres de données Azure.
“C’est une chose de découvrir un nouvel état de matière”, a déclaré Nayak. «C’est une autre en profiter pour repenser l’informatique quantique à grande échelle.»
Concevoir des matériaux quantiques atome par atome
L’architecture Topological Qubit de Microsoft a des nanofils en aluminium réunis pour former un H. Chaque H a quatre majoras contrôlables et fait un qubit. Ces HS peuvent également être connectés et disposés à travers la puce comme tant de tuiles.
«C’est complexe dans la mesure où nous devions montrer un nouvel état de matière pour y arriver, mais après cela, c’est assez simple. Il se tut. Vous avez cette architecture beaucoup plus simple qui promet un chemin à l’échelle beaucoup plus rapide », a déclaré Krysta Svore, boursier technique de Microsoft.
Krysta Svore, boursier technique de Microsoft. Photo de John Brecher pour Microsoft.
La puce quantique ne fonctionne pas seule. Il existe dans un écosystème avec logique de contrôle, un réfrigérateur de dilution qui maintient les qubits à des températures beaucoup plus froides que l’espace extérieur et une pile logicielle qui peut s’intégrer à l’IA et aux ordinateurs classiques. Toutes ces pièces existent, construites ou modifiées entièrement en interne, a-t-elle déclaré.
Pour être clair, continuer à affiner ces processus et amener tous les éléments à travailler ensemble à une échelle accélérée nécessitera plus d’années de travail d’ingénierie. Mais de nombreux défis scientifiques et ingénieurs difficiles ont maintenant été relevés, a déclaré Microsoft.
Obtenir la pile des matériaux pour produire un état topologique de matière était l’une des parties les plus difficiles, a ajouté Svore. Au lieu du silicium, le topoconducteur de Microsoft est en arséniure d’indium, un matériau actuellement utilisé dans des applications telles que les détecteurs infrarouges et qui possède des propriétés spéciales. Le semi-conducteur est marié avec la supraconductivité, grâce à un froid extrême, pour faire un hybride.
«Nous pulvérisons littéralement l’atome par atome. Ces matériaux doivent s’aligner parfaitement. S’il y a trop de défauts dans la pile de matériaux, cela tue simplement votre qubit », a déclaré Svore.
«Ironiquement, c’est aussi pourquoi nous avons besoin d’un ordinateur quantique – parce que la compréhension de ces matériaux est incroyablement difficile. Avec un ordinateur quantique à l’échelle, nous serons en mesure de prédire les matériaux avec des propriétés encore meilleures pour construire la prochaine génération d’ordinateurs quantiques au-delà de l’échelle », a-t-elle déclaré.
En savoir plus: Présentation de Microsoft Majorana 1
Apprendre encore plus: Solutions quantiques azure
Image supérieure: Majorana 1, la première puce quantique alimentée par un noyau topologique basé sur une nouvelle classe de matériaux révolutionnaire développée par Microsoft. Photo de John Brecher pour Microsoft.
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