تراشه مایورانا 1 مایکروسافت دستاورد بزرگی برای کامپیوترهای کوانتومی محسوب می‌شود.

مایکروسافت، چند روز قبل، از تراشه کوانتومی «مایورانا 1» (Majorana 1) رونمایی کرد. این تراشه اولین واحد پردازشگر کوانتومی (QPU) جهان با کیوبیت‌های توپولوژیکی است. این تراشه اطلاعات را در حالت جدیدی از ماده ذخیره می‌کند که جامد، مایع یا گاز نیست و می‌توان آن را پیشرفتی خارق‌العاده در محاسبات کوانتومی دانست. در این مطلب با ما همراه باشید تا با مایورانا 1 بیشتر آشنا شوید.

پیشینه کامپیوترهای کوانتومی به دهه 1980 برمی‌گردد. از آن سال رؤیای محققان این بوده که در کامپیوتر کوانتومی اطلاعات را در بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها ذخیره کنند. در کامپیوترهای معمولی اطلاعات در بیت‌ها ذخیره می‌شوند، بیت معمولی می‌تواند مقدار 0 یا 1 داشته باشد، اما بیت کوانتومی می‌تواند این 2 حالت را هم‌زمان نشان دهد. اگر بیت معمولی را فلش تصور کنید، می‌تواند به بالا یا پایین باشد اما کیوبیت فلشی است که طبق اصل برهم‌نهی فیزیک کوانتوم می‌تواند هم‌زمان هم به جهت بالا هم پایین اشاره کند.

این بدان معناست که کامپیوتر کوانتومی در برخی محاسبات بسیار سریع‌تر از کامپیوتر معمولی عمل می‌کند اما ساخت کیوبیت‌های واقعی و دریافت اطلاعات در داخل و خارج از آنها بسیار دشوار است؛ زیرا تعامل با دنیای خارج می‌تواند حالات کوانتومی ظریف درون کیوبیت را از بین ببرد.

مایکروسافت برای غلبه بر مشکلات کیوبیت‌ها، رویکرد بسیار متفاوتی نسبت به سایر شرکت‌ها در پیش گرفته که به آن «کیوبیت‌های توپولوژیکی» می‌گوید. محققان این شرکت از ذرات مایورانا استفاده کرده‌اند که اولین بار فیزیکدان ایتالیایی «اتوره مایورانا» سال 1937 مطرح کرد و در حالتی متفاوت از حالت‌های عادی ماده، جامد، مایع و گاز، هستند.

ماده‌ای جدید، کلید مایکروسافت برای ساخت تراشه کوانتومی Majorana 1
مایوراناها برخلاف الکترون یا پروتون به‌شکل عادی پدید نمی‌آیند. آنها فقط در نوعی نادر از مواد به نام ابررسانای توپولوژیکی (Topological Superconductor) وجود دارند. ذرات مایورانا آنقدر عجیب‌وغریب‌اند که معمولاً فقط در دانشگاه‌ها بررسی می‌شوند و تاکنون کاربردهای عملی نداشته‌اند. یکی از علت‌های اینکه توسعه تراشه کوانتومی مایکروسافت سال‌ها طول کشیده، این است که مایورانا در طبیعت وجود ندارد و فقط می‌تواند با میدان‌های مغناطیسی و ابررساناها به وجود بیاید.

ذرات مایورانا از نظر تئوری از قوی‌ترین راه‌ها برای ذخیره‌سازی اطلاعات کوانتومی هستند. آنها با خواص عجیبشان به محافظت از داده‌ها در برابر نویزهای محیطی کمک می‌کنند و حالت‌های کوانتومی ظریف را سالم نگه می‌دارند. درکل کیوبیت‌های الکترونی سنتی به‌شدت حساس‌اند و به‌محض اینکه با سیگنال‌های الکترومغناطیسی، نوسانات دما یا حتی کوچک‌ترین اختلال در تعامل باشند، دچار اختلال می‌شوند.

وقتی به محیط اطراف خود نگاه می‌کنید، ماده‌ها را در 3 حالت اصلی می‌بینید: جامد، مایع و گاز. هر حالت مشخصات و رفتار خاصی دارد که براساس رفتار اتم‌های آن تعیین می‌شود. اتوره مایورانا حدوداً 100 سال قبل حالت جدیدی برای ماده معرفی کرد: حالت توپولوژیکی که در آن ذره مایورانا وجود دارد. طی این سال‌ها پژوهش‌های مختلفی درباره آن انجام شد اما سال گذشته بود که محققان توانستند اولین بار آن را مشاهده کنند و اکنون با تراشه جدید می‌توان این ذره را کنترل و از خصوصیات آن برای ساخت توپورسانا (Topoconductor) استفاده کرد که نوع جدیدی از نیمه‌رساناها با عملکردی شبیه ابررساناهاست.

با این معماری بنیادی جدید مایکروسافت موفق به ساخت هسته جدیدی به‌ نام هسته توپولوژیکی شده است. معماری جدید تراشه کوانتومی مایکروسافت به لطف خواص خارق‌العاده ذرات مایورانا باعث می‌شود تعداد کیوبیت‌های بیشتری در ابعاد بسیار کوچک جای بگیرند. مایورانا کمک کرده محققان بتوانند کیوبیت توپولوژیک بسازند که قابل‌اطمینان، کوچک و قابل‌کنترل است. این طراحی مشکل نویز را که باعث بروز خطا در کیوبیت‌ها می‌شود، برطرف می‌کند.

مایکروسافت می‌گوید تک‌تک اتم‌های موجود در این تراشه هدفمند سر جای خود قرار داده شده‌اند. در کامپیوترهای معمولی از الکترون برای پردازش استفاده می‌شود اما مایورانا 1 از الکترون استفاده نمی‌کند، بلکه از ذرات مایورانا کمک می‌گیرد که نیم‌الکترون است.

اکنون مایکروسافت ادعا می‌کند کیوبیت‌های توپولوژیکی که مایورانا تولید می‌کنند، باعث پایداری بیشتر اطلاعات در کیوبیت‌ها می‌شود و می‌تواند کامپیوترهای کوانتومی را بسیار کاربردی‌تر کند. غول ردموند می‌گوید دیگر مایورانا فقط ذره‌ای دانشگاهی و تئوری نیست و حالا وارد فاز کاربردی خود شده است.

یکی از محققان مایکروسافت درباره رویکرد جدید این شرکت می‌گوید:

«ما یک قدم به عقب رفتیم و گفتیم خب بیایید ترانزیستور را دوباره برای عصر کوانتومی اختراع کنیم.»

در تئوری، کامپیوتر کوانتومی که با استفاده از ذرات مایورانا ساخته‌شده می‌تواند کاملاً عاری از خطاهای کیوبیت باشد؛ به همین دلیل مایکروسافت چنین رویکرد پرزحمتی انتخاب کرده است اما این کامپیوترها کاملاً بدون مشکل و خطا نیستند؛ حتی کامپیوتر کوانتومی مبتنی‌بر مایورانا هم نمی‌تواند عملیات موسوم به T-gate را بی خطا انجام دهد؛ بنابراین تراشه کوانتومی جدید مایکروسافت «تقریباً بدون خطا» است. البته تصحیح خطاهای T-gate بسیار ساده‌تر از تصحیح خطای سایر پلتفرم‌های کوانتومی است.

چرا تراشه جدید مایکروسافت مهم است؟
مایکروسافت می‌گوید این تراشه به‌قدری قدرتمند است که می‌توان ظرفیتش را تا یک‌میلیون کیوبیت افزایش داد، درحالی‌که به اندازه کافی کوچک است که در کف دست شما قرار گیرد. داشتن یک‌میلیون کیوبیت در تراشه‌ای به اندازه کف دست آنقدر دستاورد بزرگی محسوب می‌شود که آن را شبیه داستان‌های علمی-تخیلی می‌کند اما این مقیاسی است که مایکروسافت باور دارد با معماری هسته توپولوژیکی خود دستیابی به آن ممکن است.

درکل، محاسبات کوانتومی می‌تواند نحوه حل مسائل علمی گوناگون را متحول کند. اگر محققان حجم عظیمی از داده‌ها و معادلات پیچیده در شیمی، فیزیک و علم مواد داشته باشند، کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند در زمان اندکی آن را حل کنند؛ یکی از ثمرات آن نیز می‌تواند تولید داروهای جدید باشد یا برای مثال، می‌توانند به حل این سؤال دشوار شیمی کمک کنند که چرا مواد دچار خوردگی یا ترک می‌شوند. با پاسخ به این سؤال می‌توان موادی با قابلیت خودترمیمی ساخت و از آن در پل‌ها، قطعات هواپیما و حتی نمایشگرهای موبایل بهره برد.

یکی دیگر از کاربردهای چنین سیستم قدرتمندی در محیط‌زیست‌ است. ازآنجایی‌که پلاستیک‌ها انواع زیادی دارند، درحال‌حاضر نمی‌توان کاتالیزور ثابتی پیدا کرد که بتواند همه آنها را تجزیه کند. سیستم‌های کوانتومی می‌توانند خواص چنین کاتالیزورهایی را برای تجزیه آلاینده‌های مختلف یا توسعه مواد غیرسمی تجزیه‌وتحلیل کنند. با محاسبات دقیق رفتار آنزیم‌ها، نوعی کاتالیزور بیولوژیکی که فقط سیستم کوانتومی می‌تواند آن را انجام دهد، می‌توان به‌طور مؤثرتری از آنها در مراقبت‌های بهداشتی و کشاورزی استفاده کرد. همچنین آنزیم‌ها می‌توانند با افزایش حاصل‌خیزی و کشت‌پذیری زمین‌های بایر به ریشه‌کن‌کردن گرسنگی جهانی کمک کنند.

تاکنون دستیابی به حتی چند صد یا چند هزار کیوبیت که بتواند به‌طور قابل‌اعتماد و بدون خطا کار کند، دشوار بوده.

هدف رویکرد توپولوژیکی مایکروسافت کاهش و تصحیح خطا در کیوبیت‌هاست. با این رویکرد می‌توان به آستانه یک‌میلیون کیوبیت در یک تراشه رسید، آستانه‌ای که کارشناسان معتقدند برای مقابله با مشکلات مختلف و ایجاد داروهای جدید باید به آن رسید. به گفته مایکروسافت، همان‌طور که اختراع نیمه‌رساناها راه را برای توسعه گوشی‌های هوشمند، کامپیوترها و ابزارهای الکترونیک امروزی هموار کرد، تراشه جدید می‌تواند مسیری برای توسعه سیستم‌های کوانتومی کاربردی فراهم کند.

درکل شاید اکنون برای کاربران کامپیوترهای کوانتنومی ابزاری مبهم به‌ نظر برسند و شاید دستاوردهایی مانند تراشه Majorana 1 فقط برای محققان هیجان‌انگیز باشد اما به گفته مدیران دنیای فناوری درحال‌حاضر کامپیوترهای کوانتومی همان چیزی هستند که هوش مصنوعی یک دهه پیش بود؛ شاید تا چند سال آینده ابزارهای کوانتومی به دست کاربران نهایی نیز برسد.