تراشه مایورانا ۱ مایکروسافت؛ دستاورد تاریخی برای پردازش کوانتومی

در روش جدید مایکروسافت، به جای استفاده از اسپین اتم‌ها در نشان دادن توزیع داده‌ها، از نانوسیم‌هایی استفاده می‌شود که همان توزیع داده را در دو سوی خود ایجاد می‌کنند. در کیوبیت‌های خطی، دیگر خبری از جهت چرخش (اسپین) نخواهد بود؛ بنابراین، باید از حامل جدیدی برای پردازش داده‌ها استفاده کرد. اینجاست که مایکروسافت به جای اتم و الکترون، به فرمیون‌های مایورانا روی آورده است؛ شبه‌ذراتی که نخستین بار در سال ۱۹۳۷ به‌صورت نظری پیش‌بینی شدند و ویژگی منحصربه‌فردی دارند که آن‌ها را به پادذره‌ی خودشان تبدیل می‌کند.

برخلاف کیوبیت‌های معمولی، مایوراناها همیشه به‌صورت جفت ظاهر می‌شوند و هر جفت یک الکترون غیرمحلی را تشکیل می‌دهد. این ویژگی باعث می‌شود که یک بخش از ذره‌ی مایورانا در یک سر نانوسیم قرار گیرد و بخش دیگر آن در سر دیگر. برای دستکاری این ذره، باید هر دو سر آن را همزمان تحت تأثیر قرار داد. این خاصیت، مایوراناها را به گزینه‌ای جذاب برای محاسبات کوانتومی تبدیل می‌کند، زیرا اگر یک بخش تحت تأثیر نویز قرار گیرد، بخش دیگر بدون تغییر باقی می‌ماند.

مشکل اساسی این بود که حالت خاصی که مایکروسافت برای این روش در نظر داشت (یعنی حالت مایورانا) در طبیعت وجود ندارد و تنها تحت شرایط خاصی مانند میدان‌های مغناطیسی و ابررساناها می‌توان ماده را به چنین فازی انتقال داد. این دشواری برای سال‌ها، بسیاری از پروژه‌های محاسبات کوانتومی را به استفاده از انواع دیگر کیوبیت‌ها سوق داد.

زوج‌های مایورانا داده‌های کوانتومی را در خود پنهان می‌کنند تا از نویز در امان بماند؛ اما این کار، اندازه‌گیری آن‌ها را دشوار می‌کند. در پیشرفت اخیر، محققان مایکروسافت تأیید کرده‌اند که نه‌تنها می‌توانند ذرات را به حالت مایورانا ببرند، بلکه موفق شده‌اند با استفاده از امواج مایکروویو، اطلاعات ذخیره‌شده در این ذرات را به‌طور قابل‌اعتمادی اندازه‌گیری کنند.

از دیگر مزایای کیوبیت‌های توپولوژیکی مایکروسافت، قابلیت کنترل دیجیتالی آن‌هاست. درحالی‌که سایر کیوبیت‌ها نیاز به تنظیمات پیچیده و حساس دارند، اندازه‌گیری این کیوبیت‌ها تنها با تغییر ولتاژ انجام می‌شود؛ درست مانند روشن و خاموش کردن ترانزیستورها. این رویکرد نه‌تنها فرآیند محاسبات کوانتومی را ساده‌تر می‌کند، بلکه ساخت ماشین‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ را نیز تسهیل می‌کند.

اندازه‌ی کیوبیت‌های مایکروسافت نیز یک مزیت دیگر است. ترویِر، پژوهشگر ارشد مایکروسافت توضیح می‌دهد که در دنیای کوانتوم، اندازه‌ی کیوبیت‌ها باید در «محدوده‌ی طلایی» قرار گیرد؛ اگر بیش‌ازحد کوچک باشد، کنترل آن دشوار می‌شود، و اگر بیش‌ازحد بزرگ باشد، به ابزاری عظیم نیاز خواهد داشت.

تراشه‌ی کوانتومی مایورانا ۱، که دربردارنده‌ی کیوبیت‌ها و مدارهای کنترلی آن‌هاست، به‌اندازه‌ای کوچک است که می‌توان آن را در کف دست جای داد. این تراشه به‌راحتی در یک کامپیوتر کوانتومی جای می‌گیرد که می‌توان آن را در مراکز داده‌ی آژور (Azure) مایکروسافت مستقر کرد. نایاک، یکی از محققان کلیدی این پروژه، می‌گوید:

کشف حالت جدیدی از ماده یک سوی ماجراست و استفاده از آن برای استفاده در محاسبات کوانتومی مقیاس‌پذیر، سوی دیگر داستان.

– چتان نایاک، پژوهشگر ارشد مایکروسافت

برخلاف کیوبیت‌های سنتی مانند مدارهای ابررسانا یا یون‌های به‌دام‌افتاده که اطلاعات را در حالت‌های ناپایدار الکترون‌ها یا یون‌ها ذخیره می‌کنند، مایورانا ۱ از توپوکاندکتورهای (Topoconductor) آرسنید ایندیوم و آلومینیوم استفاده می‌کند که به صورت نانوسیم‌هایی در دمایی نزدیک به صفر مطلق فعالیت می‌کنند.