Microsoft a anunțat pe 19 februarie Majorana 1, primul procesor cuantic din lume bazat pe qubiți topologici. Descoperirea deschide un nou capitol în cursa globală pentru calculul cuantic practic, aducând o tehnologie ce promite să transforme nu doar lumea calculatoarelor, ci și înțelegerea fundamentală a materiei. Ce face acest procesor cu adevărat special? Folosește un nou material, denumit topoconductor.
Qubiții topologici și fermionii Majorana, descoperiri din sfera fizicii de frontieră
Fizicianul român Cristian Presură a explicat impactul acestei descoperiri revoluționare, menționând că tehnologia din spatele procesorului cuantic Majorana 1 nu este chiar o noutate absolută. De fapt, își are rădăcinile în cercetările realizate acum mai bine de un deceniu la Universitatea Tehnică din Delft, Olanda. Acolo, cercetătorii au reușit, pentru prima dată, să demonstreze existența unui tip special de particule, cunoscute sub numele de fermioni Majorana.
Ce sunt acești fermioni Majorana și de ce sunt atât de importanți?
Imaginați-vă că, în lumea particulelor, fiecare particulă are o „soră geamănă” cu trăsături opuse – aceasta este antiparticula. De exemplu, electronul are un „geamăn” numit pozitron, care are aceeași masă, dar o sarcină electrică opusă. Însă, în 1937, fizicianul italian Ettore Majorana a venit cu o idee cu totul neobișnuită: dacă ar exista particule care sunt, în același timp, și particule și antiparticule?
Acești fermioni Majorana sunt atât de speciali pentru că sunt propriii lor „gemeni negativi”. Această proprietate unică îi face extrem de stabili și rezistenți la influențele din mediul înconjurător – un aspect esențial atunci când construim qubiți (unitățile de bază ale calculatoarelor cuantice). Dacă un qubit își pierde stabilitatea sau este perturbat, întregul calcul poate eșua.
De aceea, acești qubiți topologici, construiți pe baza fermionilor Majorana, sunt atât de valoroși: oferă o soluție reală pentru construirea unor computere cuantice stabile și ușor de extins, capabile să rezolve probleme complexe pe care nici cele mai puternice supercomputere tradiționale din prezent nu le pot aborda.
Un pas important în această direcție a fost făcut pe 15 februarie 2023 de către cercetătorii de la Delft University of Technology și Eindhoven University of Technology. Aceștia au reușit să creeze o versiune simplificată a fermionilor Majorana, numită sugestiv „Majorana-uri sărace” (poor man’s Majoranas). Au folosit două puncte cuantice (care pot fi imaginate ca niște „capcane” pentru electroni) legate printr-un fir minuscul la scară nano. Scopul a fost de a construi lanțuri mai lungi și mai rezistente, care să creeze qubiți și mai stabili în viitor.
Tom Dvir, cercetător la institutul QuTech, a explicat că aceste „Majorana-uri sărace” au potențialul de a crea qubiți mai rezistenți la erorile care apar frecvent în computerele cuantice. Mai mult, noua metodă folosită nu mai depinde de proprietățile materialelor, ci pune accent pe controlul electric — permițând ajustarea fină a condițiilor necesare pentru formarea fermionilor Majorana.
Fermionii Majorana și qubiții topologici, o explicație mai simplă
Citind despre fermionii majorana, despre particule și antiparticule și despre „gemeni negativi” mi-am amintit de principiul yin și yang. În filozofia chineză, yin și yang reprezintă două forțe opuse, dar complementare, care există împreună în armonie. Fiecare are o parte din cealaltă și nu pot exista separat – lumina nu poate exista fără întuneric, iar activul nu poate exista fără pasiv.
În cazul fermionilor Majorana, lucrurile sunt și mai „simetrice” din punct de vedere fizic:
Un fermion Majorana nu are sarcină electrică și nici nu are nevoie de o antiparticulă distinctă pentru a-și manifesta „întregul”. Este simultan particulă și antiparticulă – în aceeași entitate, fără a avea nevoie de un complement separat, așa cum se întâmplă în cazul electronului și pozitronului.
Dacă în yin-yang există doi poli opuși în echilibru, fermionul Majorana este ca un simbol perfect unificat: yin și yang în același punct, contopite într-o singură esență.
Când este utilizat într-un sistem cuantic, acest fermion „se împarte” în două părți (la capetele unui nanofir), dar rămâne, în esență, o singură particulă. Dacă una dintre „jumătăți” este afectată de zgomot sau erori, cealaltă rămâne stabilă și protejează informația.
Mai plastic formulat, un fermion Majorana este ca o „oglindă perfectă”, în care o particulă se reflectă în sine însăși, fiind în același timp și imaginea și originalul.
Cum funcționează împreună nanofirul și fermionii Majorana?
Imaginează-ți că ai un fir extrem de subțire și, la capetele lui, apare un fermion Majorana „împărțit” în două. Aceste părți sunt legate într-un mod special, formând împreună un sistem în care informația cuantică nu este stocată într-un singur loc, ci este „răspândită” între cele două capete ale firului. Deși sunt separate fizic, aceste părți ale aceluiași fermion sunt conectate, ca doi frați gemeni care pot simți ce se întâmplă cu celălalt, chiar dacă sunt departe.
Chiar dacă sunt la distanță, cele două părți ale fermionului Majorana rămân legate între ele. Dacă o parte este afectată de o eroare sau interferență, cealaltă poate păstra informația în siguranță. Această proprietate îi face ideali pentru construirea unor calculatoare cuantice stabile și eficiente.
Ce sunt Majorana-urile sărace? (poor man’s Majoranas)
Un fermion Majorana poate fi folosită pentru a crea qubiți stabili în calculatoarele cuantice. Dar, pentru că este greu să creezi astfel de particule în laborator, oamenii de știință au găsit o metodă mai ușoară de a obține un „efect similar” fără să aibă nevoie de toate condițiile dificile necesare pentru un fermion Majorana autentic. Aceste „copii simplificate” sunt numite Majorana-uri sărace (Poor Man’s Majoranas).
Un fermion Majorana, manifestat simultan la cele două capete ale unui nanofir, formează un qubit topologic, în care informația cuantică este distribuită între capete și protejată împotriva erorilor. Informația stocată în qubitul format din fermioul Majorana nu este localizată într-un singur punct, ci este „răspândită” între cele două capete ale nanofirului. Dacă una dintre jumătăți este afectată de zgomot sau erori, informația poate rămâne în siguranță în întregul sistem pentru că cele două părți sunt legate inseparabil.
Ce este topoconductorul și de ce e important?
Pentru a realiza acești qubiți topologici, Microsoft a trebuit să creeze o nouă stare a materiei: topoconductorul. Acest material revoluționar combină proprietăți de supraconductivitate cu efecte topologice, fiind construit dintr-o combinație de arseniură de indiu (în rol de semiconductor) și aluminiu (în rol de supraconductor).
Arseniura de indiu acționează ca un semiconductor care controlează și direcționează mișcarea electronilor de-a lungul nanofirului, în timp ce aluminiul, în rol de supraconductor, induce supraconductivitate asupra electronilor din semiconductor prin efect de proximitate, creând astfel condițiile necesare pentru apariția fermionilor Majorana la capetele firului și generând qubiți capabili să stocheze informație cuantică prin intermediul parității electronilor.
Cercetătorii de la Delft au explorat crearea unui lanț de puncte cuantice în care starea cuantică a electronilor este distribuită între două locații distincte, păstrând astfel stabilitatea qubiților chiar și în fața zgomotului cuantic. Acest design face ca o jumătate a particulei Majorana să fie protejată atunci când cealaltă este afectată, sporind astfel fiabilitatea acestor sisteme.
De ce este Majorana 1 atât de important și cum funcționează?
Microsoft nu a creat doar un simplu procesor cuantic, ci a pus bazele unei arhitecturi complet noi, concepută pentru a scala până la un milion de qubiți pe un singur cip.
Cristian Presură s-a arătat entuziasmat această realizare, menționând că Majorana 1 reprezintă un pas esențial în cursa internațională pentru construirea calculatoarelor cuantice fiabile. Datorită stabilității remarcabile a qubiților topologici, Microsoft crede că va fi posibil să avem computere cuantice funcționale în doar câțiva ani, nu în decenii, așa cum se credea până acum.
Secretul stabilității lui Majorana 1 constă în modul inovator de citire a stării cuantice. Microsoft utilizează impulsuri digitale și cuplaje controlate pentru a detecta paritatea electronilor din qubiți, un proces care permite citirea precisă a informațiilor cuantice cu un grad minim de eroare.
Microsoft se află deja în ultima fază a programului DARPA US2QC, care are scopul de a dezvolta un prototip de computer cuantic tolerant la erori, bazat pe qubiți topologici. Prin Majorana 1, compania avansează către dezvoltarea unui supercomputer cuantic cu un milion de qubiți, capabil să rezolve provocări majore, precum descoperirea de noi medicamente, dezvoltarea de materiale auto-regenerabile sau identificarea unor soluții pentru agricultură sustenabilă.
