A Microsoft bemutatott egy új chipet, amely szerinte azt mutatja, hogy a kvantumszámítógépek „évekre, nem pedig évtizedekre” vannak, csatlakozva a Google és az IBM előrejelzéséhez, amely szerint a számítástechnika alapvető változása sokkal közelebb van, mint azt a közelmúltban hitték.

A kvantumszámítás olyan számítások elvégzésének ígéretét hordozza magában, amelyekhez a mai rendszereknek évmilliókra lenne szükségük. A technológia áttörő felfedezésekre adhat lehetőséget az orvostudományban, a kémiában és számos olyan területen, ahol a molekulák lehetséges kombinációinak majdnem végtelen tengernyi áradata zavarba hozza a klasszikus számítógépeket. De a kvantumszámítógépek azzal a veszéllyel is fenyegetnek, hogy felforgatják a mai kiberbiztonsági rendszereket, ahol a legtöbb titkosítás azon a feltételezésen alapul, hogy túl sokáig tartana a hozzáférés nyers erővel történő megszerzése. Bármilyen előrelépésnek geopolitikai következményei is lesznek. Miközben az Egyesült Államok a kvantumszámítást elsősorban olyan vállalatokon keresztül kutatja, mint a Microsoft és a startupok egy hulláma, a kínai kormány 15,2 milliárd dollárt fektet be a technológiába, míg az Európai Unió 7,2 milliárd dollárral a harmadik.

A kvantumszámítástechnika a kvantummechanikának nevezett fizika évtizedes kutatásaira épül, és még mindig kísérleti technológia. A Microsoft, a Google és mások közelmúltbeli lépései után azonban a tudósok bíznak abban, hogy a technológia végül beváltja majd az ígéretét. "A kvantumszámítás izgalmas kilátás a fizika és a világ számára” - mondta Frank Wilczek, a Massachusetts Institute of Technology elméleti fizikusa.

A kvantumszámítástechnika megértéséhez segít tudni, hogyan működik egy hagyományos számítógép. Egy okostelefon, laptop vagy asztali számítógép olyan apró chipekre támaszkodik, amelyek félvezetőkből készülnek, vagyis olyan anyagokból, amelyek bizonyos helyzetekben vezetik az elektromosságot, de nem minden helyzetben. Ezek a chipek számokat tárolnak és dolgoznak fel, például nagyon gyorsan összeadják őket. Ezeket a számításokat az információ „bitjeinek” manipulálásával végzik. Minden bit vagy 1-et, vagy 0-t tartalmaz. A kvantumszámítógépek másképp működnek. A kvantumbit vagy qubit a szubatomi részecskék vagy a rendkívül alacsony hőmérsékletre hűtött egzotikus anyagok különös viselkedésére támaszkodik.

Ha egy tárgy rendkívül kicsi vagy rendkívül hideg, akkor egyszerre két különálló tárgyként viselkedhet. Ezt a jellemzőt kihasználva a tudósok olyan qubitet tudnak építeni, amely az 1 és a 0 kombinációját tartalmazza. Ez azt jelenti, hogy két qubit egyszerre négy értéket tud tárolni. A qubitek számának növekedésével tehát a kvantumszámítógépek teljesítménye exponenciálisan növekszik. A vállalatok különböző technikákat használnak e gépek megépítéséhez. Az Egyesült Államokban a legtöbben - köztük a Google is - szupravezetőkkel építik a qubiteket, vagyis olyan anyagokkal, amelyek úgy vezetik az elektromosságot, hogy közben nem veszítik el az átvitt energiát. Ezeket a szupravezetőket úgy hozzák létre, hogy fémeket rendkívül alacsony hőmérsékletre hűtik.


A kvantumszámítógépek legnagyobb kihívása az, hogy a qubit nevű alapvető építőelem ugyan hihetetlenül gyors számításokat tesz lehetővé, ugyanakkor rendkívül nehezen ellenőrizhető és hibára hajlamos. A Microsoft szerint az általa kifejlesztett Majorana-1 chip kevésbé hajlamos ezekre a hibákra, mint a riválisok, és bizonyítékként egy tudományos cikket is bemutatott, amelyet a Nature tudományos folyóiratban fognak közzétenni. A Microsoft egy olyan megközelítésre fogadkozott, amelyet kevesen alkalmaznak: a félvezetők és a szupravezetők kombinálására. Az alapelvet - a topológiai qubit elnevezéssel együtt - először 1997-ben javasolta Alekszej Kitaev orosz-amerikai fizikus.

A vállalat a 2000-es évek elején kezdett el dolgozni ezen a szokatlan projekten, amikor sok kutató nem tartotta lehetségesnek az ilyen technológiát. Ez a Microsoft legrégebben futó kutatási projektje. "Ez olyasvalami, amivel a vállalat mindhárom vezérigazgatója foglalkozott” - mondta Satya Nadella, a Microsoft vezérigazgatója. (A vállalat korábbi vezérigazgatói Bill Gates alapító és Steve Ballmer voltak, aki a 2000-es évek elején vezette a Microsoftot). Philip Kim, a Harvard fizikaprofesszora szerint a Microsoft új alkotása azért jelentős, mert a topológiai qubitek felgyorsíthatják a kvantumszámítógépek fejlesztését. „Ha minden összejön, a Microsoft kutatása forradalmi jelentőségű lehet” - mondta.

A technológiai ipar felsőbb köreiben vita tárgyát képezi, hogy mikor érkeznek meg a hasznos kvantumszámítógépek. A Google tavaly mutatta be saját kvantumchipjét, és a cég szerint a kereskedelmi kvantumszámítógépes alkalmazások öt év múlva már érettek lesznek. Az IBM szerint a nagyméretű kvantumszámítógépek 2033-ra lesznek üzemképesek. Ezzel szemben Jensen Huang, az Nvidia vezérigazgatója a múlt hónapban azt mondta, hogy a technológia két évtizedre van attól, hogy megelőzze cége chipjeit, a mesterséges intelligencia jelenlegi munkagépeit, ami lejtőre lökte az összes ágazatban érdekelt cég részvényárfolyamát.


A Microsoft Majorana 1-je a Majorana-fermion nevű szubatomi részecskére támaszkodik, amelynek létezését először az 1930-as években tételezték fel. Ez a részecske olyan tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek kevésbé teszik hajlamossá a kvantumszámítógépeket sújtó hibákra. A vállalat egy olyan eszközt hozott létre, amely részben indium-arzenid (egyfajta félvezető), részben alumínium (alacsony hőmérsékleten szupravezető). Amikor a készüléket abszolút nulla Celsius fok közelébe hűtik, olyan másvilági viselkedést mutat, amely lehetővé teheti a kvantumszámítógépek használatát. Az eszköz egy szupravezető nanodrótot használ a részecskék megfigyelésére, és hagyományos számítástechnikai eszközökkel vezérelhető. A Microsoft új chipje jóval kevesebb (mindössze nyolc) qubittal rendelkezik, mint a Google és az IBM rivális chipjei, de a társaság úgy véli, hogy a Majorana-alapú qubitjeiből jóval kevesebbre lesz szükség a hasznos számítógépek elkészítéséhez, mert a hibaaránya alacsonyabb.

Bár egy qubit egyszerre több értéket is képes tárolni, egy velejáró probléma terheli. Amikor a kutatók megpróbálják kiolvasni a qubitben tárolt információt, az „dekoherenssé” válik, és egy klasszikus bitté omlik össze, amely csak egy értéket tartalmaz: 1-et vagy 0-t. Tavaly a Google megmutatta, hogy a qubitek számának növelésével a hibák számát exponenciálisan csökkenteni tudják komplex matematikai technikák segítségével. A hibajavítás kevésbé lesz bonyolult és hatékonyabb, ha a Microsoft tökéletesíteni tudja topológiai qubitjeit.

A chip még nem képes olyan számítások elvégzésére, amelyek megváltoztatnák a számítástechnika természetét, a vállalat kutatói azonban úgy látják, hogy ez egy lépés afelé, hogy valami sokkal erősebbet építsenek. A Microsoft nem adott határidőt arra vonatkozóan, hogy mikorra lehet a chipet a mai gépeket felülmúló kvantumszámítógépek létrehozásához méretezni, de a vállalat egy blogbejegyzésben azt írta, hogy ez a pont „évekre, nem évtizedekre” van innen. Jason Zander, a Microsoft ügyvezető alelnöke, aki a vállalat hosszú távú stratégiai projektjeit felügyeli, a Majorana 1-et „magas kockázatú, magas hozamú” stratégiának nevezte. A chipet a Microsoft Washington állambeli és dániai laboratóriumaiban gyártották. "A legnehezebb rész a fizika megoldása volt. Erre nincs tankönyv, nekünk kellett kitalálni” - mondta Zander. "Szó szerint feltaláltuk azt a képességet, hogy atomról atomra, rétegről rétegre menjünk és létrehozzuk ezt a dolgot”.

Philip Kim, a Harvard Egyetem fizikaprofesszora, aki nem vett részt a Microsoft kutatásában, elmondta, hogy a Majorana-fermionok évtizedek óta forró téma a fizikusok körében, és a Microsoft munkáját „izgalmas fejleménynek” nevezte, amely a vállalatot a kvantumkutatás élvonalába helyezi. Azt is elmondta, hogy a Microsoft által a hagyományos félvezetők és az egzotikus szupravezetők hibridjének alkalmazása jó útnak tűnik a nagyobb teljesítményű chipek felé.