کیوبیت های توپولوژیک مایکروسافت ، پردازنده Majorana1

مایکروسافت مدت‌هاست که وارد رقابت سنگین توی ساخت کامپیوترهای کوانتومی شده؛ اما برخلاف گوگل و IBM که از روش‌های رایج استفاده می‌کنن، مایکروسافت سراغ یک راه بهتر رفته، یعنی: کیوبیت‌های توپولوژیک.

کامپیوتر کوانتومی معمولی چطوری کار می‌کنه؟

واسه درک بهتر کیوبیت های توپولوژیک، بهتره قبلش بدونیم که کامپیوترهای کوانتومی معمولی چطوری کار می‌کنن. همنطوری که میدونیم کامپیوترهای کلاسیک با بیت‌های صفر یا یک کار می‌کنن، کامپیوترهای کوانتومی از کیوبیت استفاده می‌کنن که می‌تونه همزمان صفر، یک یا ترکیبی از هر دوتاش باشه.

این کیوبیت‌ها معمولاً از مدارهای ابررسانا ساخته می‌شن. ابررساناها موادی هستن که وقتی دماشون به نزدیک صفر مطلق (حدود -273 درجه سلسیوس) می‌رسه، مقاومت الکتریکی‌شون صفر می‌شه. توی این شرایط، الکترون‌ها جفت می‌شن (به این جفت‌ها می‌گن جفت‌های کوپر) و وارد یک وضعیت پایدار و کوانتومی می‌شن.

توی کامپیوترهای کوانتومی سنتی، قطعه‌ای هست به اسم «Josephson Junction» که نقش اتصال بین دو ماده ابررسانا رو بازی می‌کنه. اما این سیستم یه مشکل بزرگ داره: این کیوبیت‌ها خیلی ناپایدارن، به نویز، صدا و حتی دمای کم حساسن و خیلی سریع از حالت کوانتومی خارج می‌شن. همین باعث می‌شه نگه‌داشتن اطلاعات کوانتومی توی این سیستم‌ها سخت و پرهزینه باشه.

حالا توپولوژی چیه و چه ربطی به کوانتوم داره؟

توپولوژی یه شاخه از ریاضیه که می‌گه شکل کلی اجسام (مثلاً تعداد حفره‌هاشون) مهم‌تر از زوایا و اندازه‌هاشونه. مثلاً دونات و فنجون از نظر توپولوژیکی مثل همن، چون هر دوشون یک حفره دارن.

توی کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیک، اطلاعات به‌جای اینکه توی یه نقطه خاص ذخیره بشه، توی ساختار کلی ذرات (مثل نحوه گره‌خوردنشون) ذخیره می‌شه. مثل اینه که بند کفشتو گره زدی؛ حالا اطلاعات توی نوع گره هست، نه جای خاصی از بند. این باعث می‌شه اطلاعات کوانتومی پایدارتر باشه و با نویز از بین نره.

ذره‌ی مایورانا

واسه ساخت کیوبیت‌های توپولوژیک باید یه فضای خاص درست بشه. مایکروسافت برای این کار از یه نانوسیم نیمه‌رسانا استفاده می‌کنه که روش با آلومینیوم ابررسانا پوشونده شده. بعد یه میدان مغناطیسی قوی و جهت‌دار بهش اعمال می‌کنن. این کار باعث می‌شه در لبه‌های سیم، ذراتی به اسم “مایورانا” ظاهر بشن.

مایورانا یه ذره کوانتومیه که یه خاصیت عجیب داره و اونم اینه که پادذره‌ی خودش هم هست. برخلاف الکترون که پادذره‌ش پوزیترونه، مایورانا وقتی با خودش برخورد می‌کنه، نابود نمی‌شه. این ویژگی باعث می‌شه اطلاعاتی که با مایوراناها ذخیره می‌شن، پایدارتر بمونن.

مایورانا توی طبیعت به‌صورت آزاد وجود نداره، اما می‌شه شرایطی ایجاد کرد که الکترون‌ها طوری رفتار کنن که انگار مایورانا هستن.

تراشه Majorana 1: قدم مهم مایکروسافت

مایکروسافت تراشه‌ای ساخته به‌اسم  Majorana 1  که اولین نمونه از چیپ‌ست ‌هایی با کیوبیت توپولوژیکه. البته این چیپ هنوز توی مرحله آزمایشه، ولی نتایج اولیه‌ش امیدوارکننده‌ بوده. اگه موفقیت‌آمیز پیش بره، می‌تونه یکی از پایدارترین و قدرتمندترین سیستم‌های کوانتومی دنیا رو بسازه.

کیوبیت‌های توپولوژیک مایکروسافت می‌تونن مشکلات بزرگ کامپیوترهای کوانتومی معمولی رو حل کنن. با ذخیره‌سازی اطلاعات توی ساختار گره‌خورده‌ی ذرات، دیگه لازم نیست نگران نویز، دما یا ناپایداری باشیم. البته هنوز راه زیادی تا استفاده تجاری باقی مونده، ولی این مسیریه که آینده‌ی کوانتوم کامپیوتینگ رو متحول می‌کنه.