Microsoft ha iniziato a investire denaro nella scienza dell'informatica quantistica per diversi anni, finanziando alcune delle ricerche di base che potrebbero permetterci di produrre computer basandosi sul fatto che gli elettroni possono essere in molti stati contemporaneamente (che si chiama "sovrapposizione"). ).

Nei computer che usiamo oggi, gli elettroni fluiscono attraverso le "porte" dei transistor all'interno di un processore che sono aperti o chiusi - uno o zero in binario - ma ciò che ci interessa è il gate, non l'elettrone. Con un qubit (abbreviazione di bit quantistico), sono gli stessi elettroni che memorizzano le informazioni, e questo è uno e zero allo stesso tempo, e tutto ciò che si trova tra.

Collega 300 qubit in un computer quantistico e potrebbero memorizzare più informazioni di quanti siano gli atomi nell'universo. Più 'entanglement' tra i qubit significa che una operazione in un computer quantico fa la stessa quantità di calcolo reale di molte normali operazioni, quindi i programmi girano molto più velocemente.

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Grandi problemi

Ma ci sono alcuni grossi problemi nel modo di progredire quando si tratta di realizzare questi piccoli dispositivi informatici. Vale a dire come mantenere il controllo della fisica della materia esotica abbastanza bene da creare un qubit affidabile che non perda il risultato del suo calcolo prima di poterlo recuperare, per non parlare del cablaggio di più di alcuni di essi in un sistema completo, e tenerlo molto freddo mentre lo si esegue.

La maggior parte delle persone che affrontano l'informatica quantistica sta studiando i qubit superconduttori, ma Microsoft sta adottando un approccio completamente diverso.

Il capo della ricerca Microsoft, Peter Lee

“Immagina di stendere migliaia di piani in una palestra e farli girare tutti in una volta, in una configurazione complicata, con alcuni di essi che vanno in senso orario e alcuni in senso antiorario,” Il capo della ricerca Microsoft, Peter Lee, ha detto a TechRadar. “Per i qubit superconduttori, abbiamo le conoscenze tecniche per farlo, nel tempo. È un risultato di ingegneria notevole che il mondo sa come farlo. Ma non è stabile; entro decine di microsecondi cade a pezzi.” E più si aggiungono i qubit, peggiore diventa il problema.

Invece, Microsoft scommette su qubit topologici, che non usano le proprietà dell'elettrone - che può essere modificato dalla minima interazione con ciò che lo circonda, come il campo elettrico di qualsiasi elettronica vicina - ma piuttosto, l'ordine in cui alcuni particelle molto esotiche chiamate fermioni di Majorana o anyons, cambiare posizione.

“In condizioni di flusso magnetico,” spiega Lee, “orbitano in determinati schemi e, se immagini che trascinano un filo dietro di loro mentre orbitano intorno a loro, intrecciano quel filo in uno schema - e lo schema della trecciatura codifica il calcolo quantico. Ci potrebbe essere un sacco di rumore e agitazione nell'orbita, potrebbe essere una brutta orbita - ma è sicuramente in orbita in uno schema chiaro.”

I qubit superconduttori mantengono ancora molto potenziale, dice Lee, ma i qubit topologici potrebbero scavalcarli. “I qubit superconduttori sono per il calcolo quantico quali tubi a vuoto sono per i computer digitali - ma i qubit topologici sono per il calcolo quantico quali transistor sono per il computing digitale. Quando stavamo costruendo computer con le valvole a vuoto, erano molto utili: potevi calcolare una traiettoria migliore per i missili, ma non sarebbe mai stata una tecnologia scalabile.”

Dalla teoria all'ingegneria

Gli omoni furono concepiti da un fisico italiano, Ettore Majorana, negli anni '30, poi un professore di fisica chiamato Alexei Kitaev “inciampai su di loro decenni dopo e capì che se esistessero, potresti usarli per fare il calcolo quantico,” dice Lee.

Un altro prodigio della matematica, Michael Freedman, aveva pensato alla teoria dei nodi come a un modo per creare un computer quantico; quando è entrato in Microsoft Research nel 1997 ha collaborato con Kitaev. Entro il 2004, Freedman era convinto che sarebbe stato possibile costruire qubit topologici, a patto che gli effettivi fossero effettivamente reali.

Andò da Craig Mundie, che gestiva la strategia di ricerca di Microsoft - Mundie non si limitò ad assumere altri fisici teorici, finanziò sei laboratori accademici di fisica sperimentale in tutto il mondo per eseguire esperimenti per dimostrare, in un modo o nell'altro, se esistevano.

Un laboratorio nei Paesi Bassi ha trovato qualcosa con le proprietà giuste nel 2011, poi un altro in Olanda nel 2012. “All'improvviso, eccolo lì, e potresti iniziare a sognare la possibilità di costruire qubit con questa protezione topologica,” entusiasma Lee.

La teoria marginale era diventata mainstream. Nel 2014, i matematici e fisici teorici di Station Q - il laboratorio di ricerca quantistica Microsoft creato a Santa Barbara nel 2006 - hanno avuto alcuni nuovi colleghi. Il gruppo Quantum Architectures and Computation di Microsoft è diretto da Burton Smith - co-fondatore di Cray, l'originale supercomputing company - e Doug Carmean, l'architetto dietro i principali chip Intel come il Pentium 4 e il Nehalem Core i5 e i7 (i primi chip a usa cancelli metallici high-K), quindi hanno un sacco di esperienza lavorativa proprio al limite di ciò che puoi fare con il silicio.

E ora sono stati raggiunti da Todd Holmdahl. Il nuovo vicepresidente corporate di Microsoft per quantum è stato responsabile del lancio di prodotti come Xbox e Kinect, e ha portato a bordo le persone chiave dell'hardware Microsoft come Alex Kipman, Kudo Tsunoda e Steven Bathiche, quindi il suo nuovo lavoro è un segnale che Microsoft ritiene possa diventare realtà.

“Non penso che ci sia un momento determinante ma siamo in questo punto di flesso tra scienza e ingegneria,” Holmdahl ha detto a TechRadar, fornendo tre motivi per cui pensa che sia tempo di passare dalla ricerca all'ingegneria, anche se molti dei problemi sono lontani dal risolvere.

“Abbiamo una linea di linea mirata per controllare un qubit topologico - abbiamo enfatizzato quelli negli ultimi dieci anni e più perché crediamo che avranno un tempo di coerenza più lungo, saranno immuni dal rumore e ci permetteranno ridimensionare molto più velocemente. Riteniamo di essere molto vicini a controllarlo.”

“La seconda cosa importante è che lavoriamo con un certo numero di coltivatori che coltivano i materiali per noi e costruiscono i dispositivi, e stiamo scoprendo che siamo in grado di farlo molto più rapidamente rispetto al passato.” Ciò significa che Microsoft può provare nuove idee per creare e connettere i qubit più rapidamente. “Nel corso del processo di progettazione, è un enorme vantaggio essere in grado di superare la fase di prototipazione in modo rapido.”

Microsoft è già in grado di coltivare nanofili per qubit 'relativamente velocemente' ma si sta spostando verso processi di gas di elettroni 2D che potrebbero significare che in futuro i qubit di fabbricazione potrebbero essere fatti alla stessa velocità dei transistor. Ciò significa prototipi in un lasso di tempo di settimane “e poi diversi mesi per il tempo di produzione,” Holmdahl suggerisce. “In definitiva, credo che qualcosa del genere sarà la soluzione che ci consentirà di scalare il più veloce in futuro.” Ancora una volta, Microsoft sta prendendo una direzione diversa dalla maggior parte degli altri team che lavorano sul calcolo quantistico.

“La terza area è che il design e l'architettura che stiamo costruendo sembrano essere molto scalabili e abbiamo creato una roadmap per il futuro di come potrebbe apparire il nostro computer quantico. Non solo abbiamo un'idea di come sia un qubit, ma di quante centinaia e migliaia di essi assomiglino: come saranno disposti, come saremo in grado di controllarli, come saremo in grado di avere loro parlano tra loro.”

Intero computer

L'informatica quantistica ha bisogno di più di un semplice qubit; ha bisogno di un intero computer e di un modello di programmazione per questo. “La fisica, i qubit sono solo una parte di ciò,” Holmdahl sottolinea. “Una delle bellezze di lavorare in Microsoft è che abbiamo accesso alle altre cose che sono molto importanti: il computer classico che avremo bisogno di controllare i qubit, abbiamo accesso al software che verrà eseguito su quel computer classico, abbiamo accesso alle applicazioni che stanno andando a fare le cose incredibili che sono là fuori nel calcolo quantistico, questi problemi intrattabili. Stiamo lavorando su tutti questi.”

“Stiamo più che raddoppiando le nostre risorse che stiamo investendo in questo. Stiamo aggiungendo più risorse di ricerca, stiamo aggiungendo ulteriori risorse ingegneristiche per aiutarli. Stiamo aggiungendo molte più persone, stiamo aggiungendo dollari per le attrezzature e stiamo aggiungendo attenzione.

“L'ho fatto un paio di volte, con Kinect e HoloLens, e credo che stiamo mettendo la giusta quantità di risorse che ci danno le migliori possibilità di ottenere qualcosa nel momento giusto. Scommetto sempre molto sulla tecnologia che saremo in grado di capire molte delle questioni che dobbiamo capire per renderlo ampiamente disponibile.”