Microsoft: Durchbruch in der Quanteninformatik mit einem „völlig neuen Aggregatzustand“

Veröffentlicht von: Catherine Bolgar via Microsoft

Was vor einigen Jahren noch mehr Platz als ein 18-Rad-LKW benötigte, um auch nur tausend Ellen zu spielen, hat Microsoft nun auf einem handflächengroßen Chip untergebracht. Dieser Durchbruch gelang dank der Entdeckung eines „völlig neuen Aggregatzustands“. Zum Vergleich: Der größte traditionelle Supercomputer der Welt, der 1.742 PetaFLOPS leistet, wird von einem 50-Qubit-Quantencomputer leicht übertroffen, aber jedes hinzugefügte Qubit erhöht die Leistung exponentiell; somit könnte ein handflächengroßer Chip 20.000 Supercomputer übertreffen.

Im Grunde genommen wird der Ansatz von Microsoft jede aktuelle Einschränkung mit Leichtigkeit beseitigen. Wenn Millionen dieser Chips auf den Markt kommen, stellen Sie sich vor, was dann aus der KI werden würde? Sie wird die Welt kontrollieren, nicht umgekehrt.

Patrick Wood, Editor.

Schlüsselideen:

• Microsoft stellt Majorana 1 vor, den ersten Quantenchip mit einer Topological Core-Architektur.
• Der Chip verwendet ein neues Topoleitermaterial, um Majorana-Teilchen für zuverlässigere Qubits zu steuern.
• Diese Architektur zielt darauf ab, auf einem einzigen Chip eine Million Qubits zu skalieren und so komplexe industrielle und gesellschaftliche Probleme zu lösen.
• Das Design beinhaltet eine Fehlerresistenz auf Hardware-Ebene für eine erhöhte Stabilität.
• Microsoft ist Teil des DARPA-Programms zur Entwicklung fehlertoleranter Quantencomputer im Nutzmaßstab.

Microsofts Majorana 1-Chip ebnet neuen Weg für Quantencomputer

Microsoft stellte heute Majorana 1 vor, den weltweit ersten Quantenchip, der von einer neuen Topological Core-Architektur angetrieben wird, von der erwartet wird, dass sie Quantencomputer realisieren wird, die in der Lage sind, bedeutende Probleme im industriellen Maßstab in Jahren und nicht in Jahrzehnten zu lösen.

Er nutzt den weltweit ersten Topoleiter, ein bahnbrechendes Material, das Majorana-Teilchen beobachten und kontrollieren kann, um zuverlässigere und skalierbare Qubits zu erzeugen, die die Bausteine für Quantencomputer sind.

So wie die Erfindung von Halbleitern die heutigen Smartphones, Computer und Elektronikgeräte ermöglicht hat, bieten Topoleiter und die neue Art von Chips, die sie ermöglichen, einen Weg zur Entwicklung von Quantensystemen, die auf eine Million Qubits skaliert werden können und in der Lage sind, die komplexesten industriellen und gesellschaftlichen Probleme zu lösen, so Microsoft.

„Wir haben einen Schritt zurückgetreten und gesagt: „Okay, lasst uns den Transistor für das Quanten-Zeitalter erfinden. Welche Eigenschaften muss er haben?““, sagte Chetan Nayak, technischer Mitarbeiter bei Microsoft. “Und so sind wir wirklich hierher gekommen – es ist die besondere Kombination, die Qualität und die wichtigen Details in unserem neuen Materialstapel, die eine neue Art von Qubit und letztlich unsere gesamte Architektur ermöglicht haben.“

Diese neue Architektur, die für die Entwicklung des Majorana-1-Prozessors verwendet wurde, bietet laut Microsoft einen klaren Weg, um eine Million Qubits auf einem einzigen Chip unterzubringen, der in eine Handfläche passt. Dies ist eine notwendige Schwelle für Quantencomputer, um transformative, realistische Lösungen zu liefern – wie die Aufspaltung von Mikroplastik in harmlose Nebenprodukte oder die Erfindung selbstheilender Materialien für den Bau, die Fertigung oder das Gesundheitswesen. Alle aktuellen Computer der Welt zusammen können nicht das leisten, was ein Quantencomputer mit einer Million Qubits leisten wird.

„Was auch immer Sie im Quantenbereich tun, es muss einen Weg zu einer Million Qubits geben. Wenn nicht, werden Sie an eine Grenze stoßen, bevor Sie die Größenordnung erreichen, in der Sie die wirklich wichtigen Probleme lösen können, die uns motivieren“, sagte Nayak. „Wir haben tatsächlich einen Weg zu einer Million gefunden.“

Der Topokonduktor oder topologische Supraleiter ist eine spezielle Materialkategorie, die einen völlig neuen Materiezustand erzeugen kann – keinen festen, flüssigen oder gasförmigen, sondern einen topologischen Zustand. Dies wird genutzt, um ein stabileres Qubit zu erzeugen, das schnell und klein ist und digital gesteuert werden kann, ohne die Kompromisse, die bei den derzeitigen Alternativen erforderlich sind. In einem neuen Artikel, der am Mittwoch in Nature veröffentlicht wurde, wird beschrieben, wie es Microsoft-Forschern gelang, die exotischen Quanteneigenschaften des topologischen Qubits zu erzeugen und sie auch genau zu messen – ein wesentlicher Schritt für die praktische Anwendung der Quanteninformatik.

Dieser Durchbruch erforderte die Entwicklung eines völlig neuen Materialstapels aus Indiumarsenid und Aluminium, von dem Microsoft einen Großteil Atom für Atom entwarf und herstellte. Das Ziel bestand darin, neue Quantenteilchen, sogenannte Majoranas, ins Leben zu rufen und ihre einzigartigen Eigenschaften zu nutzen, um den nächsten Horizont der Quanteninformatik zu erreichen, so Microsoft.

Der weltweit erste Topologische Core, der den Majorana 1 antreibt, ist von Grund auf zuverlässig und verfügt über eine Fehlerresistenz auf Hardware-Ebene, die ihn stabiler macht.

Kommerziell wichtige Anwendungen werden auch Billionen von Operationen auf einer Million Qubits erfordern, was mit den derzeitigen Ansätzen, die auf einer fein abgestimmten analogen Steuerung jedes Qubits beruhen, nicht möglich wäre. Der neue Messansatz des Microsoft-Teams ermöglicht die digitale Steuerung von Qubits und definiert die Funktionsweise des Quantencomputings neu und vereinfacht sie erheblich.

Dieser Fortschritt bestätigt die Entscheidung von Microsoft vor Jahren, ein topologisches Qubit-Design zu verfolgen – eine wissenschaftliche und technische Herausforderung mit hohem Risiko und hoher Belohnung, die sich jetzt auszahlt. Heute hat das Unternehmen acht topologische Qubits auf einem Chip platziert, der auf eine Million skaliert werden kann.

„Von Anfang an wollten wir einen Quantencomputer für den kommerziellen Einsatz entwickeln, nicht nur als Vordenker“, sagte Matthias Troyer, technischer Mitarbeiter bei Microsoft. “Wir wussten, dass wir ein neues Qubit brauchten. Wir wussten, dass wir skalieren mussten.“

Dieser Ansatz veranlasste die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), eine Bundesbehörde, die in bahnbrechende Technologien investiert, die für die nationale Sicherheit wichtig sind, Microsoft in ein strenges Programm aufzunehmen, um zu bewerten, ob innovative Quantencomputertechnologien kommerziell relevante Quantensysteme schneller aufbauen können, als es bisher für möglich gehalten wurde.

Microsoft ist nun eines von zwei Unternehmen, die eingeladen wurden, in die letzte Phase des DARPA-Programms „Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC)“ einzutreten – eines der Programme, die Teil der größeren Quantum Benchmarking Initiative der DARPA sind, die darauf abzielt, den ersten fehlertoleranten Quantencomputer im Nutzmaßstab der Branche zu liefern, oder einen, dessen Rechenwert seine Kosten übersteigt.

„Es gibt einem einfach die Antwort“

Microsoft stellt nicht nur seine eigene Quantenhardware her, sondern hat sich auch mit Quantinuum und Atom Computing zusammengetan, um mit den heutigen Qubits wissenschaftliche und technische Durchbrüche zu erzielen, darunter die Ankündigung des ersten zuverlässigen Quantencomputers der Branche im vergangenen Jahr.

Diese Art von Maschinen bietet wichtige Möglichkeiten, Quantenfähigkeiten zu entwickeln, hybride Anwendungen zu erstellen und neue Entdeckungen voranzutreiben, insbesondere wenn KI mit neuen Quantensystemen kombiniert wird, die von einer größeren Anzahl zuverlässiger Qubits angetrieben werden. Heute bietet Azure Quantum eine Reihe integrierter Lösungen, mit denen Kunden diese führenden KI-, Hochleistungsrechen- und Quantenplattformen in Azure nutzen können, um wissenschaftliche Entdeckungen voranzutreiben.

Um den nächsten Horizont des Quantencomputings zu erreichen, wird jedoch eine Quantenarchitektur benötigt, die eine Million Qubits oder mehr bereitstellen und Billionen schneller und zuverlässiger Operationen ausführen kann. Die heutige Ankündigung rückt diesen Horizont in greifbare Nähe, nicht in Jahrzehnte, so Microsoft.

Da sie mithilfe der Quantenmechanik das Verhalten der Natur mit unglaublicher Präzision mathematisch abbilden können – von chemischen Reaktionen über molekulare Wechselwirkungen bis hin zu Enzymenergien – sollten Maschinen mit Millionen Qubits in der Lage sein, bestimmte Arten von Problemen in der Chemie, den Materialwissenschaften und anderen Branchen zu lösen, die für heutige klassische Computer nicht genau berechenbar sind.

• Sie könnten beispielsweise dabei helfen, die schwierige chemische Frage zu lösen, warum Materialien Korrosion oder Risse erleiden. Dies könnte zu selbstheilenden Materialien führen, die Risse in Brücken oder Flugzeugteilen, zerbrochene Handybildschirme oder zerkratzte Autotüren reparieren.
• Da es so viele Arten von Kunststoffen gibt, ist es derzeit nicht möglich, einen einheitlichen Katalysator zu finden, der sie abbauen kann – besonders wichtig für die Beseitigung von Mikroplastik oder die Bekämpfung der Kohlenstoffverschmutzung. Quantencomputer könnten die Eigenschaften solcher Katalysatoren berechnen, um Schadstoffe in wertvolle Nebenprodukte umzuwandeln oder ungiftige Alternativen zu entwickeln.
• Enzyme, eine Art biologischer Katalysator, könnten im Gesundheitswesen und in der Landwirtschaft effektiver genutzt werden, dank genauer Berechnungen ihres Verhaltens, die nur Quantencomputer liefern können. Dies könnte zu Durchbrüchen bei der Beseitigung des Welthungers führen: Steigerung der Bodenfruchtbarkeit zur Ertragssteigerung oder Förderung eines nachhaltigen Wachstums von Lebensmitteln in rauen Klimazonen.

Vor allem aber könnte Quantencomputing es Ingenieuren, Wissenschaftlern, Unternehmen und anderen ermöglichen, Dinge einfach gleich beim ersten Mal richtig zu entwerfen – was für alles, vom Gesundheitswesen bis zur Produktentwicklung, von entscheidender Bedeutung wäre. Die Leistungsfähigkeit des Quantencomputings in Kombination mit KI-Tools würde es jemandem ermöglichen, in einfacher Sprache zu beschreiben, welche Art von neuem Material oder Molekül er herstellen möchte, und eine Antwort zu erhalten, die auf Anhieb funktioniert – ohne Rätselraten oder jahrelanges Ausprobieren.

„Jedes Unternehmen, das irgendetwas herstellt, könnte es gleich beim ersten Mal perfekt entwerfen. Es würde einem einfach die Antwort geben“, sagte Troyer. “Der Quantencomputer bringt der KI die Sprache der Natur bei, sodass die KI einem einfach das Rezept für das, was man herstellen möchte, nennen kann.“

Quantencomputer in großem Maßstab neu denken

Die Quantenwelt funktioniert nach den Gesetzen der Quantenmechanik, die nicht dieselben physikalischen Gesetze sind, die die Welt, die wir sehen, regieren. Die Teilchen werden Qubits oder Quantenbits genannt, analog zu den Bits oder Einsen und Nullen, die Computer heute verwenden.

Qubits sind empfindlich und sehr anfällig für Störungen und Fehler, die von ihrer Umgebung ausgehen und dazu führen, dass sie auseinanderfallen und Informationen verloren gehen. Ihr Zustand kann auch durch Messungen beeinträchtigt werden – ein Problem, da Messungen für die Datenverarbeitung unerlässlich sind. Eine inhärente Herausforderung besteht darin, ein Qubit zu entwickeln, das gemessen und gesteuert werden kann und gleichzeitig Schutz vor Umgebungsgeräuschen bietet, die es verfälschen.

Qubits können auf unterschiedliche Weise erzeugt werden, jede mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen. Vor fast 20 Jahren entschied sich Microsoft für einen einzigartigen Ansatz: die Entwicklung topologischer Qubits, von denen man glaubte, dass sie stabilere Qubits bieten würden, die weniger Fehlerkorrektur erfordern, und so Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit, Größe und Steuerbarkeit bieten würden. Der Ansatz stellte eine steile Lernkurve dar, die unerforschte wissenschaftliche und technische Durchbrüche erforderte, aber auch den vielversprechendsten Weg zur Schaffung skalierbarer und steuerbarer Qubits, die kommerziell wertvolle Arbeit leisten können.

Der Nachteil ist – oder war –, dass die exotischen Teilchen, die Microsoft nutzen wollte, die sogenannten Majoranas, bis vor kurzem noch nie gesehen oder hergestellt worden waren. Sie kommen in der Natur nicht vor und können nur mit Magnetfeldern und Supraleitern in die Existenz gelockt werden. Die Schwierigkeit, die richtigen Materialien zu entwickeln, um die exotischen Teilchen und den damit verbundenen topologischen Materiezustand zu erzeugen, ist der Grund, warum sich die meisten Quantenbemühungen auf andere Arten von Qubits konzentriert haben.

Die Veröffentlichung in Nature ist eine von Experten geprüfte Bestätigung dafür, dass Microsoft nicht nur in der Lage war, Majorana-Teilchen zu erzeugen, die dazu beitragen, Quanteninformationen vor zufälligen Störungen zu schützen, sondern auch, diese Informationen mithilfe von Mikrowellen zuverlässig zu messen.

Majoranas verbergen Quanteninformationen, wodurch sie robuster werden, aber auch schwieriger zu messen sind. Der neue Messansatz des Microsoft-Teams ist so präzise, dass er den Unterschied zwischen einer Milliarde und einer Milliarde und einem Elektron in einem supraleitenden Draht erkennen kann – was dem Computer mitteilt, in welchem Zustand sich das Qubit befindet, und die Grundlage für die Quantenberechnung bildet.

Die Messungen können mit Spannungsimpulsen ein- und ausgeschaltet werden, wie beim Betätigen eines Lichtschalters, anstatt die Regler für jedes einzelne Qubit feinabzustimmen. Dieser einfachere Messansatz, der eine digitale Steuerung ermöglicht, vereinfacht den Quantencomputerprozess und die physischen Anforderungen für den Bau einer skalierbaren Maschine.

Das topologische Qubit von Microsoft hat auch aufgrund seiner Größe einen Vorteil gegenüber anderen Qubits. Selbst bei etwas so Winzigem gibt es eine „Goldilocks“-Zone, in der ein zu kleines Qubit schwer zu steuern ist, ein zu großes Qubit jedoch eine riesige Maschine erfordert, so Troyer. Die individuelle Steuerungstechnologie für diese Art von Qubits hinzuzufügen, würde den Bau eines unpraktischen Computers von der Größe eines Flugzeughangars oder Fußballfeldes erfordern.

Majorana 1, der Quantenchip von Microsoft, der sowohl Qubits als auch die umgebende Steuerelektronik enthält, passt in eine Handfläche und in einen Quantencomputer, der sich problemlos in Azure-Rechenzentren einsetzen lässt.

„Es ist eine Sache, einen neuen Aggregatzustand zu entdecken“, sagte Nayak. “Es ist eine andere, ihn zu nutzen, um Quantencomputer in großem Maßstab neu zu denken.“

Quantenmaterialien Atom für Atom entwerfen

Die topologische Qubit-Architektur von Microsoft besteht aus Aluminium-Nanodrähten, die zu einem H verbunden sind. Jedes H hat vier steuerbare Majoranas und bildet ein Qubit. Diese Hs können auch miteinander verbunden und wie Kacheln über den Chip verteilt werden.

„Es ist insofern komplex, als wir einen neuen Aggregatzustand zeigen mussten, um dorthin zu gelangen, aber danach ist es ziemlich einfach. Es ist kachelbar. Man hat diese viel einfachere Architektur, die einen viel schnelleren Weg zur Skalierung verspricht“, sagte Krysta Svore, technische Mitarbeiterin bei Microsoft.

Der Quantenchip funktioniert nicht allein. Er existiert in einem Ökosystem mit Steuerlogik, einem Verdünnungskühler, der die Qubits auf Temperaturen weit unter der des Weltraums hält, und einem Softwarestapel, der sich in KI und klassische Computer integrieren lässt. All diese Teile existieren, wurden vollständig intern gebaut oder modifiziert, sagte sie.

Um diese Prozesse weiter zu verfeinern und alle Elemente in beschleunigtem Maßstab zusammenarbeiten zu lassen, sind weitere Jahre technischer Arbeit erforderlich. Aber viele schwierige wissenschaftliche und technische Herausforderungen seien inzwischen gemeistert worden, so Microsoft.

Die richtige Materialkombination für die Herstellung eines topologischen Materiezustands zu finden, war einer der schwierigsten Teile, fügte Svore hinzu. Anstelle von Silizium besteht der Topokonduktor von Microsoft aus Indiumarsenid, einem Material, das derzeit in Anwendungen wie Infrarotdetektoren eingesetzt wird und besondere Eigenschaften aufweist. Der Halbleiter wird dank extremer Kälte mit Supraleitung verbunden, um einen Hybrid zu erzeugen.

„Wir sprühen buchstäblich Atom für Atom. Diese Materialien müssen perfekt aufeinander abgestimmt sein. Wenn es zu viele Defekte im Materialstapel gibt, wird das Qubit zerstört„, so Svore.

„Ironischerweise ist das auch der Grund, warum wir einen Quantencomputer brauchen – weil es unglaublich schwierig ist, diese Materialien zu verstehen. Mit einem skalierten Quantencomputer werden wir in der Lage sein, Materialien mit noch besseren Eigenschaften für den Bau der nächsten Generation von Quantencomputern jenseits der Skala vorherzusagen“, sagte sie.