تراشه مایورانا ۱ مایکروسافت؛ دستاورد تاریخی برای پردازش کوانتومی

مایکروسافت در روز ۱۹ فوریه‌ ۲۰۲۵ از تراشه‌ی مایورانا ۱ (Majorana 1)، نخستین تراشه‌ی کوانتومی دنیا که بر پایه‌ی معماری جدید «هسته‌ی توپولوژیک» ساخته شده است، رونمایی کرد. این فناوری می‌تواند کامپیوترهای کوانتومی را به سطحی برساند که طی فقط چند سال آینده و نه چند دهه، قادر به حل مسائل پیچیده در مقیاس صنعتی باشند.

تراشه‌ی Majorana 1 کیوبیت‌هایی با پایداری و مقیاس‌پذیری بالاتر نسبت‌ به تراشه‌های کوانتومی دیگر ارائه می‌دهد، زیرا از نخستین توپوکانداکتور جهان، یک ابررسانای توپولوژیکی پیشرفته، بهره می‌برد. این ترکیب شرایط ایدئالی برای مشاهده و کنترل ذرات مایورانا فراهم می‌کند.

کیوبیت‌ها که واحدهای اساسی پردازش اطلاعات در کامپیوترهای کوانتومی محسوب می‌شوند، مشابه بیت‌ها در کامپیوترهای کلاسیک عمل می‌کنند، با این تفاوت که به‌جای دو مقدار ثابت صفر و یک، می‌توانند در ترکیبی از بی‌نهایت حالت مختلف پیش از اندازه‌گیری قرار بگیرند.

ویژگی بارز توپوکانداکتورها، مقیاس‌پذیری آن‌ها تا یک میلیون کیوبیت است. همین دو ماه پیش بود که گوگل با پردازنده‌ی کوانتومی ویلو (Willow) با ۱۰۵ کیوبیت، دستیابی به برتری کوانتومی را اعلام کرد.

اکنون با معماری جدید مایکروسافت، می‌توان تا یک میلیون کیوبیت روی یک تراشه‌ی کوانتومی قرار داد. چتان نایک (Chetan Nayak)، یکی از متخصصان ارشد فنی مایکروسافت، در این‌باره می‌گوید:

ما یک قدم به عقب برداشتیم و گفتیم: «بسیار خوب، بیایید ترانزیستور مخصوص عصر کوانتوم را اختراع کنیم. این فناوری باید چه ویژگی‌هایی داشته باشد؟» و این دقیقاً همان مسیر رسیدن ما به این فناوری بود: ترکیب خاصی از مواد جدید، کیفیت بالا و جزئیات مهم در ساختار ما، امکان خلق نوع جدیدی از کیوبیت و در نهایت، معماری کاملاً جدید ما را فراهم کرده است.

- چتان نایاک، متخصص ارشد فنی مایکروسافت

تراشه‌ی مایورانا ۱ به اندازه‌ای کوچک است که در کف دست جا می‌گیرد. اما معماری جدید، مسیری مشخص برای ایجاد تعداد زیادی کیوبیت روی یک تراشه‌ی کوچک ارائه می‌دهد. مایکروسافت باور دارد که عبور از این مرز، برای ارائه‌ی راهکارهای تحولی و کاربردی در دنیای واقعی، لازم است.

توپوکانداکتور، یا ابررسانای توپولوژیکی، یک دسته‌ی خاص از مواد است که می‌تواند حالتی کاملاً جدید از ماده را ایجاد کند؛ نه جامد، نه مایع و نه گاز، بلکه یک «حالت توپولوژیکی». این ویژگی برای تولید کیوبیت‌هایی پایدارتر، سریع‌تر، کوچک‌تر و کاملاً کنترل‌پذیر به‌صورت دیجیتالی به کار گرفته شده است. برخلاف فناوری‌های رایج، این روش جدید نیازی به مصالحه بین پایداری و عملکرد ندارد.

مایکروسافت تخمین می‌زند که با این تکنیک، می‌توان تا سال ۲۰۳۰ یک میلیون کیوبیت را روی تراشه‌ای به اندازه‌ی کف دست قرار داد و به اولین کامپیوتر کوانتومی مفید با توانایی حل مسائل ظاهراً حل‌نشدنی دست پیدا کرد.

مایکروسافت با توسعه‌ی یک ترکیب از مواد کاملاً جدید، گامی اساسی در مسیر محاسبات کوانتومی برداشته است. این ترکیب از آرسنید ایندیوم (InAs) و آلومینیوم ساخته شده است؛ ترکیبی که با ویژگی‌های خاص خود در حسگرهای فروسرخ کاربرد دارد. هدف اصلی این نوآوری، ایجاد ذرات کوانتومی جدیدی به نام «مایورانا» و بهره‌گیری از ویژگی‌های منحصربه‌فرد آن‌ها برای دستیابی به نسل بعدی رایانش کوانتومی است.

مایکروسافت تاکنون با روش‌های جدید موفق شده هشت کیوبیت توپولوژیک را روی یک تراشه پیاده‌سازی کند؛ اما طراحی این مدار کوانتومی تا یک میلیون کیوبیت نیز قابل افزایش است. ماتیاس ترویر، از اعضای ارشد فنی مایکروسافت، در این رابطه می‌گوید:

از همان ابتدا هدف ما ساخت یک کامپیوتر کوانتومی با تأثیر تجاری بود، نه صرفاً یک پیشرفت نظری. ما می‌دانستیم که به یک کیوبیت جدید نیاز داریم و باید مقیاس‌پذیری را در اولویت قرار دهیم.

- ماتیاس ترویر، محقق ارشد مایکروسافت

مایکروسافت علاوه‌بر ساخت سخت‌افزار کوانتومی اختصاصی خود، با شرکت‌های Quantinuum و Atom Computing همکاری کرده است تا پیشرفت‌های علمی و مهندسی در زمینه‌ی کیوبیت‌های امروزی را تسریع کند.

رویکرد مایکروسافت توجه دفتر پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته‌ی دفاعی ایالات متحده (DARPA) را نیز جلب کرده است. این دفتر وابسته به وزارت دفاع که روی توسعه‌ی فناوری‌های پیشرفته با اهمیت استراتژیک سرمایه‌گذاری می‌کند، مایکروسافت را در برنامه‌ی ارزیابی «سیستم‌های کشف‌نشده برای رایانش کوانتومی در مقیاس کاربردی» (US2QC) قرار داده است تا ببیند آیا فناوری کوانتومی نوآورانه‌ی این شرکت می‌تواند سریع‌تر از پیش‌بینی‌های مرسوم، به یک سیستم تجاری مقیاس‌پذیر تبدیل شود یا خیر.

دنیای کوانتوم از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می‌کند که کاملاً متفاوت از قوانین فیزیکی حاکم بر کامپیوترهای کنونی هستند. واحدهای بنیادین سیستم‌های کوانتومی، کیوبیت (Qubit) نام دارند که معادل کوانتومیِ بیت‌های ۰ و ۱ در رایانه‌های کلاسیک محسوب می‌شوند.

از یک سو، باوجود ظرفیت بالقوه پردازشی، کیوبیت‌ها نسبت به نویز محیطی بسیار حساس هستند و به‌راحتی تحت‌تأثیر قرار می‌گیرند؛ عاملی که می‌تواند به از رفتن اطلاعات ذخیره‌شده روی کیوبیت‌ها منجر شود. از سوی دیگر، اندازه‌گیری حالت یک کیوبیت که برای انجام محاسبات ضروری است، می‌تواند به تغییر دائمی وضعیت آن منجر شود. چالش اصلی در توسعه‌ی فناوری رایانه‌های کوانتومی، یافتن راهی برای ایجاد کیوبیت‌هایی است که هم در برابر نویزهای محیطی مقاوم باشند و هم قابلیت کنترل و اندازه‌گیری داشته باشند.

در روش جدید مایکروسافت، به جای استفاده از اسپین اتم‌ها در نشان دادن توزیع داده‌ها، از نانوسیم‌هایی استفاده می‌شود که همان توزیع داده را در دو سوی خود ایجاد می‌کنند. در کیوبیت‌های خطی، دیگر خبری از جهت چرخش (اسپین) نخواهد بود؛ بنابراین، باید از حامل جدیدی برای پردازش داده‌ها استفاده کرد. اینجاست که مایکروسافت به جای اتم و الکترون، به فرمیون‌های مایورانا روی آورده است؛ شبه‌ذراتی که نخستین بار در سال ۱۹۳۷ به‌صورت نظری پیش‌بینی شدند و ویژگی منحصربه‌فردی دارند که آن‌ها را به پادذره‌ی خودشان تبدیل می‌کند.

برخلاف کیوبیت‌های معمولی، مایوراناها همیشه به‌صورت جفت ظاهر می‌شوند و هر جفت یک الکترون غیرمحلی را تشکیل می‌دهد. این ویژگی باعث می‌شود که یک بخش از ذره‌ی مایورانا در یک سر نانوسیم قرار گیرد و بخش دیگر آن در سر دیگر. برای دستکاری این ذره، باید هر دو سر آن را همزمان تحت تأثیر قرار داد. این خاصیت، مایوراناها را به گزینه‌ای جذاب برای محاسبات کوانتومی تبدیل می‌کند، زیرا اگر یک بخش تحت تأثیر نویز قرار گیرد، بخش دیگر بدون تغییر باقی می‌ماند.

مشکل اساسی این بود که حالت خاصی که مایکروسافت برای این روش در نظر داشت (یعنی حالت مایورانا) در طبیعت وجود ندارد و تنها تحت شرایط خاصی مانند میدان‌های مغناطیسی و ابررساناها می‌توان ماده را به چنین فازی انتقال داد. این دشواری برای سال‌ها، بسیاری از پروژه‌های محاسبات کوانتومی را به استفاده از انواع دیگر کیوبیت‌ها سوق داد.

زوج‌های مایورانا داده‌های کوانتومی را در خود پنهان می‌کنند تا از نویز در امان بماند؛ اما این کار، اندازه‌گیری آن‌ها را دشوار می‌کند. در پیشرفت اخیر، محققان مایکروسافت تأیید کرده‌اند که نه‌تنها می‌توانند ذرات را به حالت مایورانا ببرند، بلکه موفق شده‌اند با استفاده از امواج مایکروویو، اطلاعات ذخیره‌شده در این ذرات را به‌طور قابل‌اعتمادی اندازه‌گیری کنند.

از دیگر مزایای کیوبیت‌های توپولوژیکی مایکروسافت، قابلیت کنترل دیجیتالی آن‌ها است. درحالی‌که سایر کیوبیت‌ها نیاز به تنظیمات پیچیده و حساس دارند، اندازه‌گیری این کیوبیت‌ها تنها با تغییر ولتاژ انجام می‌شود؛ درست مانند روشن و خاموش کردن ترانزیستورها. این رویکرد نه‌تنها فرآیند محاسبات کوانتومی را ساده‌تر می‌کند، بلکه ساخت ماشین‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ را نیز تسهیل می‌کند.

اندازه‌ی کیوبیت‌های مایکروسافت نیز یک مزیت دیگر است. ترویِر، پژوهشگر ارشد مایکروسافت توضیح می‌دهد که در دنیای کوانتوم، اندازه‌ی کیوبیت‌ها باید در «محدوده‌ی طلایی» قرار گیرد؛ اگر بیش‌ازحد کوچک باشد، کنترل آن دشوار می‌شود، و اگر بیش‌ازحد بزرگ باشد، به ابزاری عظیم نیاز خواهد داشت.

تراشه‌ی کوانتومی مایورانا ۱، که دربردارنده‌ی کیوبیت‌ها و مدارهای کنترلی آن‌ها است، به‌اندازه‌ای کوچک است که می‌توان آن را در کف دست جای داد. این تراشه به‌راحتی در یک کامپیوتر کوانتومی جای می‌گیرد که می‌توان آن را در مراکز داده‌ی آژور (Azure) مایکروسافت مستقر کرد. نایاک، یکی از محققان کلیدی این پروژه، می‌گوید:

کشف حالت جدیدی از ماده یک سوی ماجرا است و استفاده از آن برای استفاده در محاسبات کوانتومی مقیاس‌پذیر، سوی دیگر داستان.

- چتان نایاک، پژوهشگر ارشد مایکروسافت

برخلاف کیوبیت‌های سنتی مانند مدارهای ابررسانا یا یون‌های به‌دام‌افتاده که اطلاعات را در حالت‌های ناپایدار الکترون‌ها یا یون‌ها ذخیره می‌کنند، مایورانا ۱ از توپوکاندکتورهای (Topoconductor) آرسنید ایندیوم و آلومینیوم استفاده می‌کند که به‌صورت نانوسیم‌هایی در دمایی نزدیک به صفر مطلق فعالیت می‌کنند.

کریستا سوور (Krysta Svore)، از پژوهشگران ارشد مایکروسافت، در توضیح رویکرد معماری توپولوژیکی می‌گوید:

این کار پیچیدگی‌های خاص خود را داشت، چرا که برای رسیدن به این نقطه، ابتدا باید یک حالت جدید از ماده را اثبات می‌کردیم. اما پس از آن، فرایند به مراتب ساده‌تر شد. این معماری بسیار ساده‌تر، مسیر مقیاس‌پذیری را به شکل چشم‌گیری تسریع می‌کند.

- کریستا سوور، پژوهشگر ارشد مایکروسافت

اما تراشه‌ی کوانتومی مایکروسافت به‌تنهایی کار نمی‌کند، بلکه در یک اکوسیستم کامل قرار دارد. این اکوسیستم شامل بخش‌هایی مانند منطق کنترلی، یخچال رقیق‌کننده برای نگه‌داشتن کیوبیت‌ها در دمایی بسیار پایین‌تر از فضای بیرونی و یک مجموعه نرم‌افزاری است که می‌تواند با هوش مصنوعی و رایانش کلاسیک ادغام شود. تمام این اجزا، یا به‌طور کامل در مایکروسافت توسعه یافته‌اند یا متناسب با این پروژه تغییر داده شده‌اند.

با سرد شدن هسته‌ی تراشه تا نزدیکی صفر مطلق و تنظیم درست میدان مغناطیسی، نانوسیم‌های ابررسانای توپولوژیکی در انتهای خود «حالت‌های صفر مایورانا» (Majorana Zero Modes یا به‌اختصار، MZM) را تشکیل می‌دهند. MZMها، بلوک‌های سازنده‌ی کیوبیت‌ها هستند و اطلاعات کوانتومی را از طریق تزویج (Parity) ذخیره می‌کنند؛ به این معنا که تعداد الکترون‌های موجود در سیم، یا فرد است یا زوج.

در ابررساناهای معمولی، الکترون‌ها به شکل جفت‌های کوپر به هم متصل شده‌اند و بدون مقاومت حرکت می‌کنند. در چنین موادی، هر الکترون منفرد که بدون جفت باقی بماند، به دلیل نیاز به انرژی اضافی، قابل شناسایی است. اما در توپوکاندکتورهای جدید مایکروسافت، این شرایط متفاوت است: یک الکترون منفرد به صورت مشترک میان یک جفت MZM به اشتراک گذاشته می‌شود و در نتیجه، از دید محیط اطراف پنهان می‌ماند. این ویژگی منحصربه‌فرد، اطلاعات کوانتومی را در برابر تأثیرات خارجی محافظت می‌کند.

تا اینجا معماری جدید مایکروسافت توانسته است با پنهان‌سازی الکترون اضافه از محیط اطراف، کیوبیت‌ها را در مقابل نویز مقاوم کند. اما چالش اصلی در مرحله‌ی بعدی اندازه‌گیری کیوبیت است. از آنجاکه اطلاعات کوانتومی در تک الکترون مشترک بین دو سر نانوسیم ذخیره می‌شود، اندازه‌گیری بار موجو‌د در نانوسیم می‌تواند راه کوانتیزه کردن داده‌های کیوبیت را هموار کند. اما چگونه مایکروسافت می‌تواند وجود تک الکترون را روی یک نانوسیم تشخیص دهد؟

برای حل چالش اندازه‌گیری بار نانوسیم، پژوهشگران مایکروسافت از روشی استفاده کرده‌اند که در آن دو سر نانوسیم به یک نقطه‌ی کوانتومی (Quantum Dot) متصل می‌شود. نقطه‌ی کوانتومی یک قطعه‌ی نیمه‌هادی بسیار کوچک است که می‌تواند بار الکتریکی را ذخیره کند. با چنین اتصالی، ظرفیت ذخیره‌ی بار در نقطه‌ی کوانتومی افزایش می‌یابد. نکته‌ی کلیدی در این است که مقدار افزایش بار، به زوج یا فرد بودن الکترون‌های نانوسیم بستگی دارد.

در نهایت برای اندازه‌گیری بار نانوسیم، از امواج مایکروویو استفاده می‌شود. قابلیت ذخیره‌ی بار در نقطه‌ی کوانتومی تعیین می‌کند که این امواج چگونه از سطح آن بازتاب شوند. به همین دلیل، امواج بازگشتی حاوی اثر امضایی از وضعیت کوانتومی نانوسیم خواهند بود.

حامل‌های انرژی خارجی، مانند تابش الکترومغناطیسی غالباً می‌توانند جفت‌های کوپر را شکسته و الکترون‌های منفردی ایجاد کنند که حالت کیوبیت را از پاریتی زوج به فرد تغییر دهند. اما سیستم آزمایش‌شده از پایداری قابل‌ توجهی برخوردار است. نتایج نشان می‌دهد که این پدیده، بسیار نادر است؛ طوری‌که به‌طور میانگین تنها یک بار در هر میلی‌ثانیه رخ می‌دهد. در آزمایش‌های اولیه، میزان خطای اندازه‌گیری تنها یک درصد بود و مسیرهای مشخصی نیز برای کاهش قابل‌ توجه این خطا شناسایی شده است.

البته، برای اصلاح و بهینه‌سازی این فرایندها و یکپارچه‌سازی تمام اجزا در مقیاس وسیع‌تر، کماکان به سال‌ها مهندسی و تحقیق نیاز است. اما به گفته‌ی مایکروسافت، بسیاری از چالش‌های دشوار علمی و مهندسی تا به امروز برطرف شده‌اند.

سوور تأکید می‌کند که یکی از دشوارترین مراحل این پروژه، ایجاد لایه‌های مواد مناسب برای دستیابی به یک حالت توپولوژیکی از ماده بود. نیمه‌رسانای استفاده‌شده، در دمایی بسیار پایین با خاصیت ابررسانایی ترکیب می‌شود و یک ساختار هیبریدی ایجاد می‌کند. او در ادامه توضیح می‌دهد:

ما عملاً در حال لایه‌نشانی اتم به اتم هستیم. این مواد باید با دقت کامل کنار هم قرار بگیرند، چرا که کوچک‌ترین نقص در ساختار، می‌تواند کل عملکرد کیوبیت را از بین ببرد.

- کریستا سوور، پژوهشگر ارشد مایکروسافت

نکته‌ی جالب اینجا است که یکی از دلایل نیاز به یک کامپیوتر کوانتومی دقیق، یافتن ساختار پیچیده‌ی مواد است که در این کامپیوترها مورد استفاده قرار می‌گیرد. سوور در این‌باره می‌گوید: «درک رفتار این مواد به‌شدت دشوار است، اما زمانی که یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس بزرگ در اختیار داشته باشیم، می‌توانیم مواد جدیدی را با خواص بهبودیافته پیش‌بینی کنیم و نسل بعدی کامپیوترهای کوانتومی را با کارایی بالاتر بسازیم.»

کیوبیت‌های سنتی با دو مشکل اساسی شامل از بین رفتن انسجام کوانتومی و نیاز گسترده به اصلاح خطا روبه‌رو هستند. به‌عنوان مثال، کیوبیت‌های ابررسانای مورد استفاده در پردازنده‌ی سیکامور (Sycamore) گوگل، به‌دلیل نقص‌های ذاتی مواد و نویزهای حرارتی، تنها در چند میکروثانیه انسجام خود را حفظ می‌کنند. از سوی دیگر، سیستم‌های مبتنی بر یون‌های به‌دام‌افتاده (مانند IonQ) برای کنترل نیاز به آرایه‌های پیچیده‌ی لیزری دارند. هر دو روش به اصلاح خطای سنگینی نیاز دارند که مستلزم استفاده از هزاران کیوبیت فیزیکی برای ایجاد یک کیوبیت منطقی قابل‌ اطمینان است.

طراحی نانوسیم‌های H-شکل نیز یک مزیت دیگر به همراه دارد: چگالی بالای ادغام. این معماری امکان می‌دهد که تعداد بسیار زیادی کیوبیت در یک تراشه‌ی کوچک گنجانده شوند. مایکروسافت تخمین می‌زند که با این رویکرد، می‌توان تا سال ۲۰۳۰ یک میلیون کیوبیت را روی تراشه‌ای به اندازه‌ی کف دست قرار داد.

کامپیوترهای کوانتومی فرصت‌های مهمی برای توسعه‌ی برنامه‌های ترکیبی و پیشبرد اکتشافات علمی فراهم می‌کنند. به‌ویژه با ترکیب هوش مصنوعی و سیستم‌های کوانتومی پیشرفته که به تعداد بیشتری از کیوبیت‌های پایدار مجهز خواهند شد، امکان جهش در زمینه‌های گوناگون علمی و فناوری فراهم می‌شود.

به عنوان مثال، این فناوری می‌تواند به حل معمای پیچیده‌ی خوردگی و ترک‌خوردگی مواد کمک کند. چنین پیشرفتی می‌تواند به تولید مواد خودترمیم‌شونده منجر شود؛ موادی که قادرند ترک‌های ایجادشده در پل‌ها، قطعات هواپیما، صفحه‌نمایش‌های شکسته‌ی تلفن همراه و حتی بدنه‌ی خودروها را به‌طور خودکار ترمیم کنند.

در زمینه‌ی زیست‌فناوری، آنزیم‌ها که به‌عنوان کاتالیزورهای بیولوژیکی عمل می‌کنند، می‌توانند در پزشکی و کشاورزی بهره‌وری بیشتری پیدا کنند. محاسبات دقیق کوانتومی می‌تواند رفتار این آنزیم‌ها را با جزئیات شبیه‌سازی کرده و به اکتشافاتی منجر شود که امنیت غذایی دنیا را تضمین کند. از جمله این اکتشافات می‌توان به افزایش حاصل‌خیزی خاک، بهبود بهره‌وری محصولات کشاورزی و امکان پرورش غذا در شرایط سخت آب‌و‌هوایی اشاره کرد.

بیش از همه، کامپیوترهای کوانتومی این امکان را برای مهندسان، دانشمندان و شرکت‌ها فراهم می‌کنند که محصولات و مواد جدید را بدون نیاز به آزمون و خطای طولانی، به‌درستی طراحی کنند. ترکیب قدرت کوانتوم و هوش مصنوعی، این امکان را می‌دهد که فرد تنها با توصیف ماده یا مولکولی که قصد ساخت آن را دارد، پاسخی دقیق و کاربردی دریافت کند. این تحول، صنایع مختلف از پزشکی گرفته تا طراحی محصول را متحول خواهد کرد. ترویِر، یکی از دانشمندان برجسته در این حوزه، می‌گوید:

هر شرکتی که محصولی تولید می‌کند، می‌تواند از همان ابتدا آن را کاملاً بی‌نقص طراحی کند. کامپیوتر کوانتومی به هوش مصنوعی زبان طبیعت را آموزش می‌دهد و سپس هوش مصنوعی می‌تواند دقیقاً فرمول ساخت آنچه را که مورد نیاز است، ارائه کند.

- ماتیاس ترویر، دانشمند ارشد مایکروسافت

مایکروسافت از طریق آژور کوانتوم (Azure Quantum)، مجموعه‌ای جامع از راهکارهای یکپارچه ارائه داده است که به مشتریان امکان می‌دهد از قدرت هوش مصنوعی، رایانش قدرتمند و پلتفرم‌های کوانتومی در فضای ابری آژور بهره ببرند و مسیر نوآوری علمی را تسریع کنند. بااین‌حال، دستیابی به افق بعدی محاسبات کوانتومی نیازمند معماری خاصی است که بتواند میلیون‌ها کیوبیت را مدیریت و تریلیون‌ها عملیات را با سرعت و دقت بی‌سابقه اجرا کند.

مایکروسافت اعلام کرده است که با پیشرفت‌های امروز، این آینده دیگر متعلق به دهه‌های بعدی نیست، بلکه تا چند سال دیگر به وقوع خواهد پیوست.