Microsoft hoy introducido Majorana 1, el primer chip cuántico del mundo impulsado por una nueva arquitectura Topológica Core que espera realizará computadoras cuánticas capaces de resolver problemas significativos a escala industrial en años, no décadas.
Aprovecha el primer topoconductor del mundo, un tipo innovador de material que puede observar y controlar las partículas de Majorana para producir qubits más confiables y escalables, que son los componentes básicos de las computadoras cuánticas.
De la misma manera que la invención de los semiconductores hizo posible los teléfonos inteligentes, computadoras y electrónica de hoy en día los topoconductores y el nuevo tipo de chip que habilitan ofrecer un camino hacia el desarrollo de sistemas cuánticos que puedan escalar a un millón de qubits y sean capaces de abordar los problemas industriales y sociales más complejos, dijo Microsoft.
“Dimos un paso atrás y dijimos ‘OK, vamos a inventar el transistor para la era cuántica. Qué propiedades necesita tener?’” dijo Chetan Nayak, miembro técnico de Microsoft. “Y eso es realmente cómo llegamos aquí – es la combinación particular, la calidad y los detalles importantes en nuestra nueva pila de materiales que han permitido un nuevo tipo de qubit y, en última instancia, toda nuestra arquitectura.”
Esta nueva arquitectura utilizada para desarrollar el procesador Majorana 1 ofrece un camino claro para adaptarse a un millón de qubits en un solo chip que puede caber en la palma de la mano, dijo Microsoft. Este es un umbral necesario para que las computadoras cuánticas ofrezcan soluciones transformadoras del mundo real –, como descomponer los microplásticos en subproductos inofensivos o inventar materiales de autocuración para la construcción, la fabricación o la atención médica. Todas las computadoras actuales del mundo que operan juntas pueden hacer lo que una computadora cuántica de un millón de qubits podrá hacer.
“Lo que sea que estés haciendo en el espacio cuántico necesita tener un camino a un millón de qubits. Si no es así, vas a golpear una pared antes de llegar a la escala en la que puedes resolver los problemas realmente importantes que nos motivan, dijo” Nayak. “En realidad hemos recorrido un camino hacia un millón.”
El topoconductor, o superconductor topológico, es una categoría especial de material que puede crear un estado de materia completamente nuevo – no es un sólido, líquido o gas, sino un estado topológico. Esto se aprovecha para producir un qubit más estable que es rápido, pequeño y puede controlarse digitalmente, sin las compensaciones requeridas por las alternativas actuales. Un nuevo artículo publicado el miércoles en Nature describe cómo los investigadores de Microsoft pudieron crear las propiedades cuánticas exóticas de los qubits topológicos y también medirlas con precisión, un paso esencial para la computación práctica.
Este avance requirió el desarrollo de una pila de materiales completamente nueva hecha de arseniuro de indio y aluminio, gran parte de la cual Microsoft diseñó y fabricó átomo por átomo. El objetivo era convencer a nuevas partículas cuánticas llamadas Majoranas y aprovechar sus propiedades únicas para alcanzar el próximo horizonte de la computación cuántica, dijo Microsoft.
El primer núcleo topológico del mundo que alimenta el Majorana 1 es confiable por diseño, incorporando resistencia a errores a nivel de hardware que lo hace más estable.
Las aplicaciones comercialmente importantes también requerirán billones de operaciones en un millón de qubits, lo que sería prohibitivo con los enfoques actuales que se basan en el control analógico ajustado de cada qubit. El nuevo enfoque de medición de los equipos de Microsoft permite controlar los qubits digitalmente, redefiniendo y simplificando enormemente cómo funciona la computación cuántica.
Este progreso valida la elección de Microsoft hace años para perseguir un diseño qubit topológico – un desafío científico y de ingeniería de alto riesgo y alta recompensa que ahora está dando sus frutos. Hoy, la compañía ha colocado ocho qubits topológicos en un chip diseñado para escalar a un millón.
“Desde el principio queríamos hacer una computadora cuántica para un impacto comercial, no solo un liderazgo de pensamiento,” dijo Matthias Troyer, miembro técnico de Microsoft. “Sabíamos que necesitábamos un nuevo qubit. Sabíamos que teníamos que escalar.”
Ese enfoque llevó a la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), una agencia federal que invierte en tecnologías innovadoras que son importantes para la seguridad nacional, a incluir a Microsoft en un programa riguroso para evaluar si las tecnologías innovadoras de computación cuántica podrían construir sistemas cuánticos comercialmente relevantes más rápido de lo que convencionalmente se cree posible.
Microsoft es ahora una de las dos compañías en ser invitado a pasar a la fase final del programa DARPAas Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC) – uno de los programas que conforman DARPAas más grande Iniciativa de Benchmarking Cuántico –, que tiene como objetivo entregar la primera computadora cuántica tolerante a fallas a escala de utilidad de la industria, o una cuyo valor computacional exceda sus costos.
‘Solo te da la respuesta’
Además de hacer su propio hardware cuántico, Microsoft se ha asociado con Quantinuum y Atom Computing para alcanzar avances científicos y de ingeniería con qubits de hoy, incluido el anuncio del año pasado de la primera computadora cuántica confiable de la industria.
Este tipo de máquinas ofrecer oportunidades importantes para desarrollar habilidades cuánticas, cree aplicaciones híbridas e impulse nuevos descubrimientos, particularmente a medida que la IA se combina con nuevos sistemas cuánticos que serán impulsados por un mayor número de qubits confiables. Hoy, Azure Quantum ofrece un conjunto de soluciones integradas permitir a los clientes aprovechar estas plataformas líderes de IA, computación de alto rendimiento y cuánticas en Azure para avanzar en el descubrimiento científico.
Pero alcanzar el próximo horizonte de la computación cuántica requerirá una arquitectura cuántica que pueda proporcionar un millón de qubits o más y alcanzar billones de operaciones rápidas y confiables. El anuncio de hoy pone ese horizonte en años, no en décadas, dijo Microsoft.
Debido a que pueden usar la mecánica cuántica para mapear matemáticamente cómo se comporta la naturaleza con una precisión increíble – de reacciones químicas a interacciones moleculares y energías enzimáticas – millones de máquinas de qubit deberían ser capaces de resolver ciertos tipos de problemas en química, ciencia de materiales y otras industrias que son imposibles de calcular con precisión para las computadoras clásicas de hoy en día.
- Por ejemplo, podrían ayudar a resolver la difícil pregunta química de por qué los materiales sufren corrosión o grietas. Esto podría conducir a materiales de autocuración que reparen grietas en puentes o partes de aviones, pantallas de teléfonos rotas o puertas de automóviles rayadas.
- Debido a que hay tantos tipos de plásticos, actualmente no es posible encontrar un catalizador único para todos que pueda descomponerlos –, especialmente importante para limpiar microplásticos o combatir la contaminación por carbono. La computación cuántica podría calcular las propiedades de dichos catalizadores para descomponer los contaminantes en subproductos valiosos o desarrollar alternativas no tóxicas en primer lugar.
- Las enzimas, una especie de catalizador biológico, podrían aprovecharse de manera más efectiva en la atención médica y la agricultura, gracias a cálculos precisos sobre su comportamiento que solo la computación cuántica puede proporcionar. Esto podría conducir a avances que ayuden a erradicar el hambre mundial: aumentar la fertilidad del suelo para aumentar los rendimientos o promover el crecimiento sostenible de los alimentos en climas difíciles.
Sobre todo, la computación cuántica podría permitir a los ingenieros, científicos, empresas y otros simplemente diseñar las cosas bien la primera vez –, lo que sería transformador para todo, desde la atención médica hasta el desarrollo de productos. El poder de la computación cuántica, combinado con las herramientas de IA, permitiría a alguien describir qué tipo de nuevo material o molécula quiere crear en un lenguaje sencillo y obtener una respuesta que funcione de inmediato – sin conjeturas o años de prueba y error.
“Cualquier compañía que haga algo podría diseñarlo perfectamente la primera vez. Solo te daría la respuesta,” dijo Troyer. “La computadora cuántica enseña a la IA el lenguaje de la naturaleza para que la IA pueda decirte la receta de lo que quieres hacer.”
Repensar la computación cuántica a escala
El mundo cuántico opera de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, que no son las mismas leyes de la física que gobiernan el mundo que vemos. Las partículas se llaman qubits, o bits cuánticos, análogos a los bits, o unos y ceros, que las computadoras ahora usan.
Los Qubits son quisquillosos y altamente susceptibles a las perturbaciones y errores que provienen de su entorno, lo que hace que se desmoronen y se pierda información. Su estado también puede verse afectado por la medición – un problema porque la medición es esencial para la informática. Un desafío inherente es desarrollar un qubit que pueda medirse y controlarse, al tiempo que ofrece protección contra el ruido ambiental que los corrompe.
Los Qubits se pueden crear de diferentes maneras, cada una con ventajas y desventajas. Hace casi 20 años, Microsoft decidió seguir un enfoque único: desarrollar qubits topológicos, que creía que ofrecerían qubits más estables que requieren menos corrección de errores, desbloqueando así las ventajas de velocidad, tamaño y controlabilidad. El enfoque planteó una curva de aprendizaje empinada, que requiere avances científicos y de ingeniería inexplorados, pero también el camino más prometedor para crear qubits escalables y controlables capaces de hacer un trabajo comercialmente valioso.Haga clic aquí para cargar medios
La desventaja es – o era – que hasta hace poco las partículas exóticas que Microsoft buscaba usar, llamadas Majoranas, nunca se habían visto ni hecho. No existen en la naturaleza y solo pueden ser persuadidos a la existencia con campos magnéticos y superconductores. La dificultad de desarrollar los materiales adecuados para crear las partículas exóticas y su estado topológico asociado de la materia es la razón por la cual la mayoría de los esfuerzos cuánticos se han centrado en otros tipos de qubits.
El artículo de Nature marca la confirmación revisada por pares de que Microsoft no solo ha podido crear partículas de Majorana, que ayudan a proteger la información cuántica de perturbaciones aleatorias, sino que también puede medir de manera confiable esa información con microondas.
Las Majoranas ocultan información cuántica, haciéndola más robusta, pero también más difícil de medir. El nuevo enfoque de medición de Microsoft es tan preciso que puede detectar la diferencia entre mil millones y mil millones y un electrón en un cable superconductor – que le dice a la computadora en qué estado se encuentra el qubit y forma la base para la computación cuántica.
Las mediciones se pueden encender y apagar con pulsos de voltaje, como mover un interruptor de luz, en lugar de ajustar los diales para cada qubit individual. Este enfoque de medición más simple que permite el control digital simplifica el proceso de computación cuántica y los requisitos físicos para construir una máquina escalable.
El qubit topológico de Microsoft también tiene una ventaja sobre otros qubits debido a su tamaño. Incluso para algo tan pequeño, hay una zona “Goldilocks”, donde un qubit demasiado pequeño es difícil de ejecutar líneas de control, pero un qubit demasiado grande requiere una máquina enorme, dijo Troyer. Agregar la tecnología de control individualizada para esos tipos de qubits requeriría construir una computadora poco práctica del tamaño de un hangar de avión o un campo de fútbol.
Majorana 1, el chip cuántico de Microsoft que contiene tanto qubits como la electrónica de control circundante, se puede sostener en la palma de la mano y se adapta perfectamente a una computadora cuántica que se puede implementar fácilmente dentro de los centros de datos de Azure.
“Una cosa es descubrir un nuevo estado de la materia,” Nayak dijo. “Es otro para aprovecharlo para repensar la computación cuántica a escala.”
Diseño de materiales cuánticos átomo por átomo
La arquitectura topológica de qubit de Microsoft tiene nanocables de aluminio unidos para formar una H. Cada H tiene cuatro Majoranas controlables y hace un qubit. Estos H también se pueden conectar y colocar a través del chip como tantas fichas.
“Es complejo porque tuvimos que mostrar un nuevo estado de la materia para llegar allí, pero después de eso, es bastante simple. Se desliza. Tienes esta arquitectura mucho más simple que promete un camino a escala mucho más rápido,” dijo Krysta Svore, miembro técnico de Microsoft.
El chip cuántico no funciona solo. Existe en un ecosistema con lógica de control, un refrigerador de dilución que mantiene los qubits a temperaturas mucho más frías que el espacio exterior y una pila de software que puede integrarse con la IA y las computadoras clásicas. Todas esas piezas existen, construidas o modificadas completamente internamente, dijo.
Para ser claros, continuar refinando esos procesos y lograr que todos los elementos trabajen juntos a escala acelerada requerirá más años de trabajo de ingeniería. Pero ahora se han cumplido muchos desafíos científicos y de ingeniería difíciles, dijo Microsoft.
Conseguir que la pila de materiales sea correcta para producir un estado topológico de la materia fue una de las partes más difíciles, agregó Svore. En lugar de silicio, el topoconductor de Microsoft está hecho de arseniuro de indio, un material utilizado actualmente en aplicaciones tales como detectores infrarrojos y que tiene propiedades especiales. El semiconductor está casado con superconductividad, gracias al frío extremo, para hacer un híbrido.
“Estamos literalmente rociando átomo por átomo. Esos materiales tienen que alinearse perfectamente. Si hay demasiados defectos en la pila de materiales, simplemente mata tu qubit,”, dijo Svore.
“Irónicamente, también es por eso que necesitamos una computadora cuántica – porque comprender estos materiales es increíblemente difícil. Con una computadora cuántica a escala, podremos predecir materiales con propiedades aún mejores para construir la próxima generación de computadoras cuánticas más allá de la escala, ” dijo. Microsoft Blog. C. B. Traducido al español
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