מיקרוסופט מכריזה היום על Majorana 1, השבב הקוונטי הראשון בעולם שמופעל על ידי ארכיטקטורת ליבה טופולוגית חדשה – טופוקונדקטור, על מוליך טופולוגי (Topoconductor). השבב החדש יסייע בבניית מחשבים קוונטים שימושיים שיהיו מסוגלים לפתור בעיות משמעותיות, בקנה מידה תעשייתי, בתוך שנים ולא עשרות שנים.
המערכת מבוססת על הטופוקונדוקטור הראשון בעולם—סוג פורץ דרך של חומר המסוגל לצפות ולשלוט בחלקיקי ה-Majorana1 ובכך לייצר קיוביטים אמינים וניתנים להרחבה, אשר מהווים את אבני הבניין של מחשבים קוונטיים.
באופן דומה להמצאת המוליכים-למחצה, שאפשרה את פיתוחם של סמארטפונים, מחשבים ואלקטרוניקה מודרנית, הטופוקונדוקטורים וסוג השבב החדש מאפשרים לספק דרך לפיתוח מערכות קוונטיות הניתנות להרחבה למיליון קיוביטים—מערכות שיוכלו להתמודד עם האתגרים התעשייתיים והחברתיים המורכבים ביותר.
הארכיטקטורה החדשה הזו, שעליה מבוסס מעבד ה- Majorana 1 מספקת מסלול ברור לפיתוח שבב יחיד בגודל כף יד, המסוגל להכיל ולהתרחב למיליון קיוביטים. זהו סף קריטי שיאפשר למחשבים קוונטיים להציע פתרונות משני מציאות. אפילו כל המחשבים הקיימים בעולם יחד אינם מסוגלים לבצע את מה שמחשב קוונטי בעל מיליון קיוביטים יוכל להשיג.
הטופוקונדקטור, המוליך-על (superconductor) הטופולוגי, מהווה קטגוריה מיוחדת של חומר שיכולה ליצור מצב חדש לגמרי של חומר – לא מוצק, לא נוזל, ולא גז, אלא מצב טופולוגי. על ידי יצירת מצב החומר החדש הזה, מיקרוסופט הצליחה לפתח קיוביטים טופולוגיים – קיוביטים קטנים יותר, מהירים יותר ויציבים יותר, בגודל של 1/100 מילימטר. קיוביטים אלו מתוכננים להיות אמינים מלכתחילה, עם עמידות מובנית לשגיאות ברמת החומרה והם נשלטים באופן דיגיטלי.
בנוסף להכרזה, מתפרסם גם מאמר מדעי בכתב העת המוכר Nature אשר מתאר כיצד חוקרים במיקרוסופט הצליחו ליצור את התכונות הקוונטיות המיוחדות של הקיוביט הטופולוגי וגם למדוד אותן במדויק, צעד שהיה חשוב לפרקטיקה המחשובית.
פריצת דרך זו דרשה פיתוח מערך חדש של חומרים המשלבים בין אינדיום ארסניד (InAs), מוליך למחצה, ואלומיניום, מוליך-על, שאת רובו עיצבה מיקרוסופט אטום אחר אטום. המטרה הייתה להשתמש בחלקיקים קוונטיים חדשים הנקראים Majoranas ולנצל את התכונות הייחודיות שלהם כדי לממש את החזון של מחשוב קוונטי.
יישומים בעלי חשיבות מסחרית ידרשו טריליוני פעולות במיליון קיוביטים, מה שלא מתאפשר בהסתמכות על הגישות הנוכחיות המסתמכות על שליטה אנלוגית מכווננת עדינה של כל קיוביט. גישת המדידה החדשה של צוות מיקרוסופט מאפשרת לשלוט בקיוביטים בצורה דיגיטלית, מגדירה מחדש ומפשטת מאוד את אופן פעולת המחשוב הקוונטי.
פריצת דרך זו מהווה תוקף ומחזקת את בחירתה של מיקרוסופט לפני שנים להתמקד בעיצוב קיוביט טופולוגי – אתגר מדעי והנדסי בסיכון גבוה שכעת ההימור עליו משתלם. כיום, החברה הציבה שמונה קיוביטים טופולוגיים על שבב שנועד להגיע למיליון קיוביטים.
קרדיט: Microsoft
הישג זה הוביל גם את Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), סוכנות פדרלית המשקיעה בטכנולוגיות פורצות דרך שחשובות לביטחון הלאומי, לכלול את מיקרוסופט בתוכנית קפדנית כדי להעריך אם טכנולוגיות מחשוב קוונטי חדשניות יכולות לבנות מערכות קוונטיות רלוונטיות מבחינה מסחרית מהר יותר ממה שחשבו שאפשרי.
מיקרוסופט היא כעת אחת משתי חברות שהוזמנו לשלב הסופי של תכנית המערכות הלא נחקרות של DARPA למחשוב קוונטי (US2QC) – אחת מהתכניות במסגרת יוזמת ה-Quantum Benchmarking – שמטרתה לפתח את המחשב הקוונטי הראשון בקנה מידה שימוש ועמיד לתקלות, כלומר כזה שהערך החישובי שלו עולה על עליותיו.
מספק את התשובה המדויקת ביותר
מכיוון שמחשבים קוונטיים מסוגלים למפות מתמטית את התנהגות הטבע בדיוק יוצא דופן – החל מתגובות כימיות ועד לאינטראקציות מולקולריות ואנרגיות של אנזימים – מערכות בעלות מיליון קיוביטים עשויות לפתור בעיות בתחומי הכימיה, מדעי החומרים ותעשיות נוספות, בעיות שהמחשוב הקלאסי של ימינו אינו מסוגל לחשב במדויק.
- לדוגמה, הם יכולים לסייע בפתרון שאלות מורכבות בכימיה, כגון מדוע חומרים סובלים מקורוזיה או סדקים. תובנות אלו עשויות להוביל לפיתוח חומרים בעלי יכולת “ריפוי עצמי”, שיוכלו לתקן סדקים בגשרים, רכיבי מטוסים, מסכי טלפון שבורים או דלתות רכב שרוטות.
- כיום, בשל המגוון הרחב של סוגי הפלסטיק, אין בנמצא זרז (קטליזטור) אוניברסלי המסוגל לפרק את כולם – נושא קריטי במיוחד לניקוי מיקרו-פלסטיקים ולהתמודדות עם זיהום פחמני. מחשוב קוונטי עשוי לחשב את התכונות של זרזים חדשניים שיפרקו מזהמים לתוצרים מועילים או לפתח מראש חלופות לא-רעילות.
- אנזימים, המשמשים כזרזים ביולוגיים, יכולים להיות מנוצלים בצורה אופטימלית יותר בתחומי הבריאות והחקלאות, הודות לחישובים מדויקים של התנהגותם – דבר שרק מחשוב קוונטי מסוגל לספק. התקדמות זו עשויה להביא לפריצות דרך במאבק ברעב העולמי, על ידי הגברת פוריות הקרקע לשיפור יבולים או פיתוח גידולים בני-קיימא בתנאי אקלים קשים.
בעיקר, מחשוב קוונטי יאפשר למהנדסים, מדענים, חברות ואחרים פשוט לעצב דברים בצורה נכונה מההתחלה – מהפכה עבור כל התחומים – החל מטיפול רפואי ועד לפיתוח מוצר. כוחו של מחשוב קוונטי, בשילוב עם כלי AI, יאפשר לאדם לתאר איזה סוג של חומר או מולקולה חדשים הוא רוצה ליצור בשפה פשוטה ולקבל תשובה שעובדת מיד – ללא ניחושים או שנים של ניסוי וטעייה.
קרדיט: Microsoft
חשיבה מחדש על מחשוב קוונטי בקנה מידה רחב
העולם הקוונטי פועל על פי חוקי מכניקת הקוונטים, השונים מחוקי הפיזיקה השולטים בעולם שאנו רואים. החלקיקים המשמשים במחשוב קוונטי נקראים קיוביטים (qubits) המקבילים לביטים (0 ו-1) המשמשים במחשבים הקלאסיים כיום.
קיוביטים הם עדינים במיוחד ורגישים להפרעות ולשגיאות שמקורן בסביבתם, מה שעלול לגרום להם להתפרק ולאבד מידע. בנוסף, מצבם עשוי להשתנות כתוצאה מתהליך המדידה עצמו—אתגר משמעותי, שכן מדידה היא מרכיב חיוני בכל חישוב. אחד האתגרים המרכזיים הוא פיתוח קיוביט שניתן למדוד ולשלוט בו, תוך שהוא נותר מוגן מרעש סביבתי שעלול לשבש את פעולתו.
קיוביטים ניתן ליצור בדרכים שונות, שלכל אחת מהן יתרונות וחסרונות. לפני כ-20 שנה, חברת מיקרוסופט בחרה בגישה ייחודית: פיתוח קיוביטים טופולוגיים, מתוך אמונה שהם יציעו יציבות גבוהה יותר וידרשו פחות תיקוני שגיאות, ובכך יאפשרו יתרונות משמעותיים מבחינת מהירות, גודל ושליטה. גישה זו הציבה עקומת למידה תלולה, שנדרשה לפריצות דרך מדעיות והנדסיות חסרות תקדים, אך היא גם נחשבת לנתיב המבטיח ביותר לפיתוח קיוביטים שניתן להרחיב ולשלוט בהם, ושמסוגלים לבצע חישובים בעלי ערך מסחרי.
החיסרון – או יותר נכון, מה שהיה חיסרון – הוא שעד לאחרונה, החלקיקים האקזוטיים שמיקרוסופט ביקשה לנצל, המכונים Majorana מעולם לא נצפו או נוצרו. הם אינם קיימים בטבע וניתן לגרום להיווצרותם רק באמצעות שדות מגנטיים ועל-מוליכים. האתגר בפיתוח החומרים המתאימים ליצירת החלקיקים האקזוטיים ומצב החומר הטופולוגי הנלווה אליהם הוא הסיבה שרוב המאמצים בתחום המחשוב הקוונטי התמקדו בסוגים אחרים של קיוביטים.
המאמר שהתפרסם ב-Nature מספק אישור מדעי מבוקר עמיתים לכך שמיקרוסופט לא רק הצליחה ליצור את חלקיקיMajorana , המסייעים להגן על המידע הקוונטי מפני הפרעות אקראיות, אלא גם הצליחה למדוד באופן אמין את המידע הזה באמצעות גלי מיקרו.
Majorana מסתירים את המידע הקוונטי, מה שהופך אותו לעמיד יותר, אך גם מקשה על מדידתו. שיטת המדידה החדשה של מיקרוסופט מדויקת עד כדי כך שהיא מסוגלת להבחין בין מיליארד לבין מיליארד ואחד אלקטרונים בתוך חוט על-מוליך – מידע שמאפשר למחשב לדעת באיזה מצב נמצא הקיוביט ומהווה את הבסיס לחישוב קוונטי.
תהליך המדידה ניתן להפעלה וכיבוי באמצעות פולסי מתח, בדומה להדלקה וכיבוי של מתג חשמלי, במקום הצורך בכיול ידני מדויק לכל קיוביט בנפרד. שיטת המדידה הפשוטה יותר, שמאפשרת שליטה דיגיטלית, מפשטת את תהליך החישוב הקוונטי ומפחיתה את הדרישות הפיזיות הנדרשות לבניית מחשב קוונטי בקנה מידה רחב.
לקיוביט הטופולוגי של מיקרוסופט יש יתרון נוסף על פני קיוביטים אחרים: גודלו. אפילו בממדים זעירים שכאלה, קיים טווח גודל אופטימלי. קיוביט קטן מדי מקשה על חיבור קווי בקרה, ואילו קיוביט גדול מדי מחייב מכונה עצומה. הוספת מערכות שליטה פרטניות לסוגי קיוביטים אחרים תדרוש בניית מחשב בגודל האנגר מטוסים או מגרש פוטבול – פתרון שאינו ישים בפועל.
Majorana 1, שבב הקוונטום של מיקרוסופט, המכיל הן קיוביטים והן רכיבי אלקטרוניקה לשליטה ובקרה, קטן מספיק כדי להחזיקו בכף היד ומתאים באופן מושלם להשתלבות במחשב קוונטי שניתן לפרוס בקלות בתוך מרכזי הנתונים (DC) של Azure.
תכנון חומרים קוונטיים ברמת האטום
ארכיטקטורת הקיוביט הטופולוגי של מיקרוסופט מבוססת על ננו-חוטי אלומיניום המחוברים יחדיו בצורת H. כל מבנה H מכיל ארבעה Majorana ניתנים לשליטה וזה יוצר קיוביט אחד. ניתן לחבר מבני H נוספים ולהניח אותם על פני השבב בדומה לאריחים ברשת. “זה מורכב במובן שהיינו צריכים להוכיח את קיומו של מצב חומר חדש כדי להגיע לנקודה הזו,” ד”ר קריסטה סוור, מנהלת תחום הקוונטים במיקרוסופט, “אבל מרגע שהשגנו זאת, הכל נעשה פשוט הרבה יותר. הארכיטקטורה הזו מאפשרת סידור מודולרי, והיא מציעה מסלול הרבה יותר מהיר להרחבה בקנה מידה גדול”.
השבב הקוונטי אינו פועל לבדו. הוא חלק ממערכת רחבה הכוללת לוגיקת שליטה, מקרר דילול השומר על הקיוביטים בטמפרטורות נמוכות בהרבה מאלה שבחלל החיצון, וערכת תוכנה המאפשרת אינטגרציה עם מערכות AI ומחשבים קלאסיים. כל הרכיבים הללו פותחו או הותאמו באופן מלא בתוך מיקרוסופט, הסבירה ד”ר סוור.
כדי להבהיר, המשך שיפור התהליכים הללו ושילוב כל הרכיבים יחדיו בקנה מידה רחב יותר ידרוש עוד שנים של עבודה הנדסית. אך כעת, אתגרים מדעיים והנדסיים משמעותיים כבר נפתרו.
אחד ההיבטים המורכבים ביותר היה להשיג את מבנה החומרים הנכון שיאפשר יצירת מצב חומר טופולוגי, הוסיפה ד”ר סוור. במקום להשתמש בסיליקון, ה-טופוקונדקטור של מיקרוסופט עשוי מארסניד אינדיום—חומר המשמש כיום בין היתר בגלאים אינפרה-אדומים ובעל תכונות ייחודיות. באמצעות קירור קיצוני, חומר זה משולב עם מוליכות-על ליצירת מבנה היברידי.
“אנחנו למעשה מרססים אטום אחר אטום. החומרים חייבים להיות מיושרים בצורה מושלמת. אם יש יותר מדי פגמים במבנה החומרים—הקיוביט פשוט לא ישרוד”, אמרה ד”ר סוור. “אירוני ככל שזה ישמע, זו גם הסיבה שבגללה אנחנו זקוקים למחשב קוונטי—כי הבנת החומרים האלה מורכבת בצורה בלתי נתפסת. עם מחשב קוונטי רחב היקף, נוכל לחזות חומרים עם תכונות משופרות אף יותר, ולבנות את הדור הבא של מחשבים קוונטיים שיתעלו על הקיים”, היא הוסיפה.
קרדיט: Microsoft
קרדיט תמונת שער: Microsoft
