Azure Quantum dimostra la fisica necessaria per creare qubit topologici scalabili

Il programma Azure Quantum di Microsoft ha sviluppato dispositivi in ​​grado di creare proprietà quantistiche che gli scienziati hanno immaginato per quasi un secolo ma non sono stati in grado di produrre in modo inequivocabile nel mondo reale, fino ad ora.

“La cosa sorprendente è che gli esseri umani sono stati in grado di progettare un sistema per dimostrare uno dei pezzi più esotici della fisica nell’universo. E ci aspettiamo di capitalizzare su questo per fare il quasi impensabile: per spingere verso una macchina quantistica tollerante agli errori che consentirà il calcolo a un livello completamente nuovo che è più vicino al modo in cui opera la natura”, ha affermato Krysta Svore, un illustre ingegnere Microsoft che guida il programma software quantistico dell’azienda.

“Non è mai stato fatto prima, e fino ad ora non era mai stato certo che si potesse fare. E ora è come se sì, ecco questa conferma definitiva che siamo sulla strada giusta”, ha detto.

Basandosi su due decenni di ricerca scientifica e recenti investimenti in simulazione e fabbricazione, il team di Azure Quantum ha progettato dispositivi che consentono loro di indurre una fase topologica della materia delimitata da una coppia di modalità Zero Majorana. Queste eccitazioni quantistiche normalmente non esistono in natura e devono essere indotte ad apparire in condizioni incredibilmente precise.

Gli scienziati hanno cercato di creare e osservare queste eccitazioni da quando sono state teorizzate per la prima volta nel 1937. Più recentemente, si sono resi conto che le modalità zero di Majorana possono svolgere un ruolo importante nella protezione delle informazioni quantistiche e nel consentire un calcolo affidabile.

Il team di Azure Quantum è stato anche in grado di produrre quella che è nota come fase topologica e di misurare il gap topologico, che quantifica la stabilità della fase.

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La capacità di creare e sostenere una fase quantistica con le modalità Zero di Majorana e un divario topologico misurabile rimuove il più grande ostacolo alla produzione di un tipo unico di qubit , che la macchina quantistica di Microsoft utilizzerà per archiviare e calcolare le informazioni, chiamato qubit topologico . È la base dell’approccio di Microsoft alla creazione di un computer quantistico che dovrebbe essere più stabile delle macchine costruite con altri tipi di qubit noti e quindi scalabile come nessun altro.

In tutto il mondo, gli scienziati stanno gareggiando per comprendere meglio i complicati processi chimici o molecolari che potrebbero aiutare a rimuovere i gas che riscaldano il clima dall’atmosfera, creare batterie migliori o fonti di energia sostenibili, produrre più cibo su un singolo acro di terra o aiutare a rimuovere gli inquinanti per creare acqua pulita.

Ma anche con le enormi capacità di calcolo di oggi, alcuni di questi problemi superano i limiti dei computer classici, che richiederebbero anni o decenni o la vita dell’universo per essere risolti. Al contrario, i computer quantistici cercano di utilizzare la meccanica quantistica – le stesse leggi ed equazioni matematiche che descrivono come si comportano le particelle subatomiche – per elaborare le informazioni in modi completamente nuovi e su una scala che prima era irraggiungibile.

“Capire come nutrire il mondo o curarlo dai cambiamenti climatici richiederà scoperte o ottimizzazione di molecole che semplicemente non possono essere fatte dai computer classici di oggi, ed è qui che entra in gioco la macchina quantistica”, ha affermato Zulfi, vicepresidente aziendale quantistico di Microsoft Alam, che ha detto di pensare molto nel suo lavoro a come lasciare il mondo in un posto migliore per suo figlio di quattro anni.

“Non so se l’abbiamo fatto nelle ultime due o tre generazioni”, ha detto. “Quindi speriamo di poter restituire ora e fare qualcosa per aiutare a guarire il pianeta, e credo che abbiamo bisogno della potenza di calcolo dell’informatica quantistica per raggiungere questo obiettivo”.

Ma il team di Azure Quantum ha stabilito fin dall’inizio che per affrontare questi problemi urgenti e del mondo reale saranno necessari computer quantistici che impieghino un milione di qubit o più. Ad oggi, le dimostrazioni pubbliche di calcolo quantistico basato su gate ne hanno utilizzate meno di 130. E gli esperti di Microsoft prevedono che molti dei qubit odierni abbiano limitazioni che renderanno difficile raggiungere la scala necessaria per supportare le applicazioni quantistiche commerciali.

Ecco perché Azure Quantum si è concentrato sullo sviluppo di qubit topologici, che dovrebbero essere più veloci, più piccoli e meno inclini a perdere informazioni rispetto ad altri tipi di qubit attualmente in fase di sviluppo. Microsoft ritiene che la creazione di un qubit topologico più stabile sia il percorso più chiaro e veloce per costruire una macchina quantistica su scala industriale.

Ma, fino ad ora, lo svantaggio di perseguire un qubit topologico era che nessuno era sicuro che fosse possibile sfruttare la fisica quantistica sottostante per produrli.

“Il fatto che abbiamo fatto questa cosa che è molto, molto difficile e che ora possiamo realizzare dispositivi che producono questa fase topologica dimostra che abbiamo un team di grande talento che è all’altezza della sfida e può affrontare i prossimi passaggi critici”, ha affermato Chetan Nayak , un eminente ingegnere Microsoft che guida il programma hardware quantistico.

“Questo dimostra gli aspetti chiave di questa fisica sfuggente e ora si va a tutto vapore verso il qubit topologico”, ha affermato.

Chetan Nayak, illustre ingegnere Microsoft che guida il programma hardware di Azure Quantum. Foto di John Brecher per Microsoft.

Un approccio ad alto rischio e ad alto rendimento

L’industria quantistica sta attualmente perseguendo molti approcci diversi allo sviluppo di qubit. Quando i qubit possono essere mantenuti in uno stato ottimale, un computer quantistico può teoricamente sfruttare le peculiarità della meccanica quantistica – come la sovrapposizione, l’entanglement e l’interferenza – per risolvere determinati problemi con molte variabili e possibili soluzioni in una frazione del tempo impiegato dai computer classici . Ma nessun computer quantistico esiste ancora su una scala in grado di mantenere la promessa di risolvere complicati problemi del mondo reale.

Gli odierni clienti di Azure Quantum sono stati in grado di ottenere vantaggi precoci ma significativi dalla tecnologia quantistica, come l’utilizzo dei principi quantistici negli algoritmi classici per accelerare le soluzioni di ottimizzazione . Possono anche iniziare a imparare a programmare soluzioni quantistiche durevoli che possono essere testate ed eseguite sull’attuale generazione di hardware quantistico del settore .

Ogni decisione e ogni investimento in Azure Quantum si è concentrato su un obiettivo a lungo termine: lo sviluppo di una macchina quantistica e il supporto di un ecosistema che consenta ai clienti di Azure di risolvere problemi reali a livello aziendale con la tecnologia.

Questa macchina quantistica è progettata per funzionare di pari passo con le classiche risorse di calcolo di Azure per offrire ai clienti nuove funzionalità. Ad esempio, un’azienda chimica potrebbe essere in grado di progettare nuovi catalizzatori nel giro di poche settimane anziché decenni in un laboratorio. Gli scienziati potrebbero essere in grado di svelare i segreti della natura per raccogliere luce in modo più sostenibile e migliorare il fotovoltaico per un’energia più pulita.

Chiunque svilupperà per primo un acceleratore quantistico commerciale avrà un forte vantaggio competitivo, insieme ai propri clienti, ha affermato Alam. È un altro modo in cui Azure prevede di continuare a fornire i migliori servizi cloud e consentire ai propri clienti aziendali di offrire innovazioni nei loro settori.

Ad esempio, un computer quantistico da un milione di qubit dovrebbe essere in grado di simulare accuratamente molecole complesse alla ricerca di nuovi catalizzatori chimici che un computer classico, anche delle dimensioni dell’intero sistema solare, non sarebbe in grado di modellare, affermano gli esperti Microsoft.

“Questa è la prossima grande svolta nell’informatica: non c’è confusione al riguardo nelle menti del mondo aziendale”, ha affermato Alam.

Ma per costruire un computer quantistico commercialmente utile, i suoi qubit devono funzionare bene su tre dimensioni chiave: affidabilità, velocità e dimensioni.

Gli stati quantistici sono, per loro natura, estremamente fragili e soggetti a interruzioni, il che rende difficile mantenere uno stato in cui i qubit possono eseguire calcoli in modo affidabile. Per offrire vantaggi rispetto all’informatica classica, i qubit devono anche elaborare rapidamente le informazioni. E i componenti di una macchina quantistica non possono essere così grandi da riempire un magazzino o un campo da calcio, il che renderà difficili da scalare i sistemi costruiti su determinati tipi di qubit.

“Puoi costruire un qubit, non è un problema. Ma sappiamo che per ottenere milioni di qubit che lavorano insieme, che è ciò che è veramente necessario per sbloccare nuovi materiali e fare le applicazioni pratiche che vogliamo fare, è necessario inchiodare queste tre cose allo stesso tempo”, ha affermato Lauri Sainiemi, Direttore generale di Microsoft per la fabbricazione.

Lauri Sainiemi, direttore generale per la fabbricazione di Azure Quantum. Foto di John Brecher per Microsoft.

Una sfida nello sviluppo di un computer quantistico è che i qubit collassano e si decodificano prontamente quando incontrano rumore ambientale come calore, particelle subatomiche vaganti o campi magnetici. Le informazioni vengono perse e i qubit non sono più utili per il calcolo. Gli errori iniziano a verificarsi e il computer quantistico deve dedicare qubit ancora più inaffidabili alla loro correzione. È come cercare di far girare un’intera stanza di piatti sulle bacchette quando la più piccola perturbazione può far sbilanciare un piatto e iniziare a schiantarsi contro tutti gli altri.

L’approccio di Microsoft è stato quello di perseguire un qubit topologico con protezione integrata dal rumore ambientale, il che significa che dovrebbero essere necessari molti meno qubit per eseguire calcoli utili e correggere gli errori. I qubit topologici dovrebbero anche essere in grado di elaborare le informazioni rapidamente e se ne possono contenere più di un milione su un wafer più piccolo del chip di sicurezza di una carta di credito.

Per creare una protezione topologica, le informazioni quantistiche possono essere codificate in una coppia di modalità Zero Majorana fisicamente separate. Ciò rende un qubit topologico più immune al rumore ambientale, che non può interagire o distruggere le informazioni quando ne incontra solo una. L’unico modo per sbloccare le informazioni quantistiche è guardare contemporaneamente lo stato combinato di entrambe le modalità zero di Majorana. L’esecuzione di queste misurazioni in modo strategico consente sia le operazioni quantistiche che crea una protezione intrinseca per il qubit.

Ma prima, il team di Azure Quantum doveva dimostrare come creare in modo affidabile la fase topologica che conferisce questi vantaggi di stabilità, velocità e dimensioni. Hanno sviluppato un processo che stratifica materiali semiconduttori e superconduttori su un dispositivo in modo estremamente controllato e atomicamente preciso. In presenza di specifici campi magnetici e tensioni, i dispositivi possono produrre una fase topologica con una coppia di modalità Zero di Majorana, caratterizzate da firme energetiche rivelatrici che appariranno alle due estremità di un nanofilo nelle giuste condizioni, e un gap topologico misurabile.

Durante l’esplorazione di quali architetture avrebbero soddisfatto i requisiti per eseguire applicazioni quantistiche pratiche, gli esperti quantistici di Microsoft sono giunti alla conclusione che un qubit topologico fosse l’unico elemento costitutivo che selezionava tutte e tre le caselle per un computer quantistico in grado di raggiungere la scala necessaria per l’uso pratico.

Ma sapevano anche che decidere di investire in questo approccio topologico impegnativo era un po’ come scegliere di scalare una montagna direttamente dall’inizio del sentiero per essere infine ricompensati con una passeggiata più facile lungo la cresta, piuttosto che prendere il sentiero più facile di rimanere nella valle solo più tardi per raggiungere una rupe che blocca la salita.

“Microsoft ha adottato questo approccio molto rischioso ma ad alto rendimento nel tentativo di creare un qubit che dal punto di vista teorico sembra il miglior qubit che puoi ottenere. Ma la sfida era che nessuno ha davvero visto queste modalità Zero Majorana nella vita reale”, ha affermato Peter Krogstrup, direttore scientifico del Quantum Materials Lab di Microsoft a Lyngby, in Danimarca. “Ma l’abbiamo fatto ora, ed è super eccitante. Dobbiamo continuare a far evolvere le nostre capacità ingegneristiche, ma ora sembra davvero che ci sia un percorso verso il calcolo quantistico scalabile”.

L’ingegnere hardware Microsoft Ajuan Cui e il ricercatore senior Mohana Rajpalke collaborano all’interno del Quantum Materials Lab di Microsoft. Foto di John Brecher per Microsoft.

‘È stato improvvisamente wow’

Roman Lutchyn ricorda di aver pranzato in un hotel quando l’anno scorso ha ricevuto un’e-mail da un collega a cui era stato chiesto di analizzare le misurazioni di un esperimento sul nuovo design del dispositivo del team. In precedenza, avevano lavorato con esperti quantistici per sviluppare una lista di controllo di tutte le cose che avrebbero dovuto vedere nei dati per convincersi di aver veramente raggiunto la svolta topologica.

Lutchyn, un partner ricercatore Microsoft con esperienza nella simulazione quantistica, ha scelto questo collega per analizzare i dati perché storicamente era stato un sano scettico nel team. Inoltre, non era stato coinvolto nella progettazione o nel test di questo particolare dispositivo, che prevede l’invio di una corrente elettrica attraverso il sistema e il vedere come rispondono i materiali. Questa volta, concordò il collega, i dati controllarono tutte le caselle che stavano cercando.

C’erano un paio di segnali energetici rivelatori chiamati picchi di polarizzazione zero, che indicano la presenza delle modalità zero di Majorana a entrambe le estremità di un nanofilo che è stato sintonizzato su una fase topologica. In precedenza, quella firma era stata vista solo a un’estremità del filo e non in combinazione. C’era anche un altro modello nei dati di conduttanza elettrica che forniva la prova di un gap topologico, ovvero una misurazione che quantifica l’immunità della fase topologica ai disturbi ambientali. Il team aveva bisogno di vedere il divario chiudersi e riaprirsi, insieme alla comparsa simultanea dei due picchi di zero bias, cosa che hanno fatto chiaramente per la prima volta.

“Improvvisamente è stato wow. Abbiamo esaminato i dati e questo è quanto”, ha detto Lutchyn.

In consultazione con esperti esterni nel campo quantistico, il team di Azure Quantum ha voluto impostare la barra più alta possibile e stabilire chiaramente quali criteri oggettivi avrebbero dimostrato di aver stabilito la tanto agognata fase topologica. In particolare, hanno voluto evitare incertezze come quelle che hanno portato alla ritrattazione di un articolo di Nature del 2018 in cui gli autori che cercavano le modalità Zero di Majorana si basavano su dati che si sono rivelati incompleti o fuorvianti.

Ecco perché, ha affermato Alam, il team hardware ha invitato un consiglio esterno che include alcuni dei principali esperti mondiali nel campo quantistico a rivedere in dettaglio gli ultimi risultati e offrire feedback e convalida per la scoperta.

Il team di Azure Quantum ha capito che la semplice visualizzazione di un’evidenza isolata non sarebbe stata sufficiente. Ma dicono che l’accumulo di dati dai loro ultimi progetti di dispositivi – vedendo tutti i modelli che stavano cercando insieme tra loro e su più dispositivi – rende un caso molto più convincente.

“Se vedi solo frammenti, può essere difficile dire cosa stai guardando”, ha affermato Judith Suter, ricercatrice senior di Microsoft che lavora nel Quantum Materials Lab. “Se trovi un solo osso nel deserto, è difficile dire da quale animale provenga. Ma se trovi un intero scheletro messo insieme, puoi guardarlo e dire: ‘Ah sì, quella è una volpe.'”

Roman Lutchyn, Partner Research Manager di Microsoft che guida il team di simulazione di Azure Quantum. Foto di John Brecher per Microsoft.

Dalla sperimentazione al design industriale

Nell’ultimo anno, il team hardware di Azure Quantum è passato da un approccio ampiamente sperimentale (test di teorie in laboratorio e apprendimento per tentativi ed errori) alla simulazione, progettazione e ingegnerizzazione di materiali con requisiti specifici per prestazioni ottimali.

“Non siamo motivati ​​dalla sola scoperta scientifica. Siamo impegnati nella creazione di prodotti che offrano valore e consentano ai nostri clienti di fare ciò che una volta era inimmaginabile”, ha affermato Alam, che ha contribuito a guidare un cambiamento culturale nel programma che molti concordano abbia contribuito ad accelerare i recenti progressi del team.

“Costruire un computer quantistico è come mandare qualcuno sulla luna o avventurarsi su Marte. Ha lo stesso livello di complessità – o più – e richiede un team di esperti che lavorano tutti a stretto contatto, dove la missione è molto più grande delle singole parti”, ha affermato Alam.

Per anni, la ricerca quantistica dell’azienda si è basata su approcci in gran parte accademici che hanno incoraggiato più team a testare le teorie che consideravano più promettenti, basate su una profonda esperienza nella fisica quantistica ma anche su un po’ di intuizione e congetture. Richiede l’impostazione e l’esecuzione di esperimenti dopo esperimenti in un laboratorio, il che può richiedere molto tempo e talvolta rendere difficile isolare rapidamente ciò che ha contribuito a un successo o un fallimento.

Utilizzando le enormi capacità di calcolo di Azure, Lutchyn e altri ricercatori del laboratorio Station Q di Microsoft a Santa Barbara hanno sviluppato nuove capacità di simulazione quantistica per completare l’inestimabile ricerca accademica del team. Ciò consente ora al team hardware di modellare e prevedere in che modo i diversi design dei dispositivi, dai materiali utilizzati alle dimensioni di ciascun componente al modo in cui i qubit possono essere collegati tra loro, influenzano il comportamento quantistico. Questa capacità di testare in modo iterativo diversi scenari e modificare i singoli parametri nella simulazione ha consentito al team di isolare quali caratteristiche sono i driver più importanti delle prestazioni.

“Questo porta il programma al livello successivo perché sta passando da un approccio sperimentale e scientifico a un approccio più industriale e ingegneristico”, ha affermato Lutchyn. “Ora abbiamo molta più coerenza. Puoi dire “questa è la ricetta e qui ci sono le specifiche che devi raggiungere” e quindi in modo più prevedibile ottieni ciò che ti aspetti di vedere. “

Gli esperti del Copenhagen Quantum Materials Lab di Microsoft e altrove hanno anche trascorso gli ultimi anni a inventare o ottimizzare tecniche di fabbricazione che ora consentono loro di progettare e realizzare dispositivi con precisione a livello atomico. Capire come assemblare gli elementi chiave del dispositivo più recente in un ambiente ad alto vuoto ha anche consentito ai team hardware di raggiungere livelli di purezza impossibili con le tecniche di fabbricazione convenzionali.

Questi e altri progressi della fabbricazione sono stati anche determinanti per realizzare l’ultima svolta di Microsoft, afferma il team, consentendo alle persone che producono l’hardware di abbinare e realizzare fisicamente le specifiche ideali generate dal team di progettazione e simulazione.

“Ora siamo guidati da progetti basati su simulazioni, non solo da persone che battono idee in una sala conferenze”, ha affermato Nayak. “E ora abbiamo le tecnologie di crescita e fabbricazione uniche per dare vita a queste idee. Non importa se hai i migliori design del mondo: se non riesci a realizzarli, rimangono semplicemente sulla carta”.

Peter Krogstrup, direttore scientifico del Quantum Materials Lab di Microsoft in Danimarca. Foto di John Brecher per Microsoft.

Sul percorso di ingegneria dei qubit

Per essere chiari, affermano i leader quantistici di Microsoft, c’è un lavoro molto più impegnativo davanti al percorso per creare un computer quantistico scalabile.

Ma queste stesse capacità di simulazione, progettazione e fabbricazione continueranno a avvantaggiare il team di Azure Quantum mentre affronta i passaggi successivi: capire come rendere un divario topologico più robusto e stabile, intrappolare gli elementi costitutivi di Majorana per creare un qubit, elaborare informazioni con qubit che può eseguire calcoli significativi e collegare qubit che devono funzionare a temperature più fredde dello spazio esterno in una macchina scalabile.

Ma il punto interrogativo scientifico più importante ora è stato cancellato, afferma il team. E la prossima serie di problemi all’orizzonte, sebbene ancora difficile, si trova in un territorio leggermente meno inesplorato.

“Non c’è più alcun ostacolo fondamentale alla produzione di un qubit topologico”, ha affermato Sainiemi. “Questo sicuramente non significa che abbiamo finito, abbiamo ancora un sacco di lavoro da fare. Ma la parte fondamentale è stata dimostrata, e ora siamo su un percorso più ingegneristico ed è quello che continueremo a perseguire”.

Immagine in alto: il ricercatore post-dottorato Xiaojing Zhao lavora nel Quantum Materials Lab di Microsoft, dove è stata dimostrata un’importante pietra miliare verso la creazione di un qubit topologico e di un computer quantistico scalabile. Foto di John Brecher per Microsoft.

Jennifer Langston

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