Microsoft steekt al heel wat jaren geld in de wetenschap van quantum computing, financiert een deel van het basisonderzoek dat ons in staat zou kunnen stellen computers te produceren op basis van het feit dat elektronen in veel staten tegelijkertijd kunnen zijn (wat 'superpositie' wordt genoemd) ).

In de computers die we tegenwoordig gebruiken, stromen elektronen door transistor 'poorten' binnen een processor die ofwel open of gesloten zijn - een of nul in binair - maar waar we om geven is de poort, niet het elektron. Met een qubit (kort voor quantum bit), zijn het de elektronen zelf die de informatie opslaan, en dat is één en nul tegelijk, en alles daartussenin.

Verbind 300 qubits in een kwantumcomputer en ze kunnen meer informatie opslaan dan er atomen in het universum zijn. Plus 'verstrengeling' tussen de qubits betekent dat één bewerking in een kwantumcomputer evenveel feitelijke berekeningen uitvoert als veel normale bewerkingen, dus programma's lopen veel sneller.

  • Voor gewone gebruikers zou een MacBook Pro moeten volstaan

Grote problemen

Maar er zijn enkele grote problemen in de voortgang van het maken van deze kleine computerapparaten. Namelijk hoe u de fysica van exotische materie goed kunt beheersen om een ​​betrouwbare qubit te maken die het resultaat van de berekening niet verliest voordat u het kunt ophalen, om nog maar te zwijgen over het samenvoegen van meer dan een paar van hen in een volledig systeem, en houd het erg koud terwijl je het uitvoert.

De meeste mensen die quantumcomputing aanpakken, kijken naar supergeleidende qubits, maar Microsoft neemt een heel andere benadering in.

Microsoft-onderzoeksleider Peter Lee

“Stel je voor dat je duizenden tops in een sportschool legt en ze allemaal tegelijk laat draaien, in een gecompliceerde configuratie - sommige gaan in wijzerzin en sommige gaan tegen de klok in,” Microsoft-onderzoeksleider Peter Lee vertelde TechRadar. “Voor supergeleidende qubits hebben we de technische kennis om dat na verloop van tijd te doen. Het is een opmerkelijke technische prestatie dat de wereld weet hoe dat moet. Maar het is niet stabiel; binnen tientallen microseconden valt het uit elkaar.” En hoe meer qubits u toevoegt, hoe slechter het probleem wordt.

In plaats daarvan gokt Microsoft op topologische qubits, die geen gebruik maken van de eigenschappen van het elektron - die kunnen worden veranderd door de geringste interactie met wat er omheen is, zoals het elektrische veld van elke nabije elektronica - maar eerder de volgorde waarin sommige zeer exotische deeltjes genaamd Majorana-fermionen of anyons, verander van positie.

“Onder omstandigheden van magnetische flux,” legt Lee uit, “ze cirkelen in bepaalde patronen, en als je je voorstelt dat ze een draad achter zich aanslepen terwijl ze rond elkaar cirkelen, vlechtten ze die draad in een patroon - en het patroon van het vlechtwerk codeert voor de quantumcomputing. Er kan veel lawaai en kronkelpaden in de baan zijn, het kan een lelijke baan zijn - maar het is absoluut in een baan om een ​​duidelijk patroon.”

Supergeleidende qubits hebben nog steeds veel potentie, zegt Lee, maar topologische qubits kunnen ze overvleugelen. “Supergeleidende qubits zijn om kwantumberekeningen te maken van wat vacuümbuizen zijn voor digitale computers - maar topologische qubits zijn het kwantum berekenen van wat transistors zijn voor digitaal computergebruik. Toen we computers bouwden uit vacuümbuizen, waren ze erg handig - je kon een beter rakettraject berekenen - maar het zou nooit een schaalbare technologie zijn.”

Van theorie tot techniek

Anyons werden bedacht door een Italiaanse fysicus, Ettore Majorana, in de jaren 1930, toen een natuurkunde professor genaamd Alexei Kitaev “struikelde over hen decennia later en besefte dat als ze bestonden, je ze kon gebruiken om quantum computing te doen,” zegt Lee.

Een ander wiskundig wonderkind, Michael Freedman, had gedacht aan de knooptheorie als een manier om een ​​kwantumcomputer te maken; toen hij in 1997 bij Microsoft Research kwam werken, werkte hij samen met Kitaev. In 2004 was Freedman ervan overtuigd dat het mogelijk zou zijn om topologische qubits te bouwen - zo lang als anyons echt waren.

Hij ging naar Craig Mundie, die de onderzoeksstrategie van Microsoft uitvoerde - Mundie huurde niet alleen wat meer theoretische natuurkundigen in, hij financierde zes academische laboratoria voor experimentele fysica over de hele wereld om experimenten uit te voeren om op de een of andere manier te bewijzen dat ze bestonden.

Een lab in Nederland vond iets met de juiste eigenschappen in 2011, toen nog een in Nederland in 2012. “Plots was het er, en je zou kunnen dromen over de mogelijkheid om qubits te bouwen met deze topologische bescherming,” enthousiasmeert Lee.

De randtheorie was mainstream geworden. In 2014 kregen de wiskundigen en theoretisch fysici van Station Q - het quantumonderzoekslaboratorium dat Microsoft in 2006 in Santa Barbara opzette - enkele nieuwe collega's. Microsoft's Quantum Architectures and Computation-groep wordt geleid door Burton Smith - mede-oprichter van Cray, het oorspronkelijke bedrijf voor supercomputing - en Doug Carmean, de architect achter belangrijke Intel-chips zoals de Pentium 4 en de Nehalem Core i5 en i7 (de eerste chips naar gebruik metalen K-poorten), dus ze hebben veel ervaring met werken op het uiterste van wat je kunt doen met silicium.

En nu zijn ze vergezeld door Todd Holmdahl. De nieuwe vice-president van Microsoft voor quantum was verantwoordelijk voor het lanceren van producten zoals Xbox en Kinect en hij bracht belangrijke Microsoft-hardware-mensen zoals Alex Kipman, Kudo Tsunoda en Steven Bathiche mee, dus zijn nieuwe baan is een teken dat Microsoft denkt dat de mogelijkheid kan realiteit worden.

“Ik denk niet dat er één beslissend moment is, maar we bevinden ons op dit omslagpunt tussen wetenschap en techniek,” Holmdahl vertelde TechRadar en gaf drie redenen waarom hij denkt dat het tijd is om van onderzoek naar engineering over te gaan, ook al zijn veel van de problemen nog lang niet opgelost.

“We hebben een echt goed zicht op het controleren van een topologische qubit - we hebben deze de afgelopen tien jaar en meer benadrukt omdat we denken dat ze een langere coherentietijd hebben, dat ze immuun zijn voor geluid en dat ze ons in staat zullen stellen om veel sneller te schalen. We denken dat we er heel dichtbij komen om dat te beheersen.”

“Het tweede grote ding is dat we werken met een aantal telers die het materiaal voor ons laten groeien en de apparaten bouwen, en we merken dat we dit veel sneller kunnen doen dan in het verleden..” Dat betekent dat Microsoft sneller nieuwe ideeën kan uitproberen voor het maken en verbinden van qubits. “Terwijl we het engineeringproces doorlopen, is het een enorm voordeel om de prototypefase op een snelle manier te doorlopen.”

Microsoft is al in staat om nanodraden 'relatief snel' voor qubits te laten groeien, maar het gaat over op 2D elektronengasprocessen, wat zou kunnen betekenen dat in de toekomst fabricagewaarden met dezelfde snelheid kunnen worden gemaakt als het maken van transistors. Dat betekent prototypes in een tijdsbestek van weken “en vervolgens enkele maanden voor productietijd,” Holmdahl suggereert. “Uiteindelijk denk ik dat zoiets de oplossing is waarmee we in de toekomst het snelst kunnen opschalen.” Nogmaals, dat is Microsoft die een andere richting op gaat dan de meeste andere teams die werken aan quantum computing.

“Het derde gebied is dat het ontwerp en de architectuur die we aan het bouwen zijn, erg schaalbaar lijken en we hebben een stappenplan gemaakt voor de toekomst van hoe onze quantumcomputer eruit zou kunnen zien. We hebben niet alleen een idee van hoe een qubit eruit ziet, maar hoe honderden en duizenden van hen eruit zien - hoe ze worden aangelegd, hoe we ze kunnen beheersen, hoe we in staat zullen zijn om ze praten met elkaar.”

Hele computer

Quantum computing heeft meer nodig dan alleen qubits; het heeft een hele computer nodig, en een programmeermodel ervoor. “De fysica, de qubits, zijn daar slechts een deel van,” Holmdahl wijst erop. “Een van de schoonheden van werken bij Microsoft is dat we toegang hebben tot de andere dingen die erg belangrijk zijn - de klassieke computer die we nodig hebben om de qubits te besturen, we hebben toegang tot de software die op die klassieke computer zal draaien, we hebben toegang tot de applicaties die de verbazingwekkende dingen gaan doen die er zijn in quantum computing, deze hardnekkige problemen. We werken aan al deze.”

“We zijn meer dan een verdubbeling van onze middelen dat we hierin investeren. We voegen meer onderzoeksbronnen toe, we voegen extra technische hulpmiddelen toe om hen te helpen. We voegen veel meer mensen toe, we voegen dollars toe voor apparatuur en we voegen focus toe.

“Ik heb dit een paar keer gedaan, met Kinect en HoloLens, en ik geloof dat we de juiste hoeveelheid hulpmiddelen inzetten die ons de beste kans geven om iets op het juiste moment te krijgen. Ik heb altijd heel veel gok op technologie dat we in staat zullen zijn om veel van de problemen te achterhalen die we moeten bedenken om het op grote schaal beschikbaar te maken.”