Microsofts kvantesprang: Majorana og fremtidens databehandling

Microsoft har gjort et vitenskapelig gjennombrudd som kan endre databehandling for alltid: en kvanteprosessor bygget på en helt ny tilstand av materie. Med Majorana 1 kan vi stå foran en revolusjon hvor kvantedatamaskiner, i løpet av få år, vil løse problemer dagens superdatamaskiner aldri kunne håndtere.

Snart slutten på Moores lov

Datamaskinens utvikling har vært en historie om stadig økende prosessorkraft, fra de første mekaniske regnemaskinene til dagens superdatamaskiner. Tradisjonelle datamaskiner har fulgt Moores lov, som sier at antall transistorer på en chip dobles omtrent hvert annet år, men vi nærmer oss nå de fysiske grensene for hvor langt denne utviklingen kan strekke seg.

Parallelt har forskere i flere tiår jobbet for å realisere kvantedatamaskiner – en teknologi som ikke bare forbedrer dagens databehandling, men revolusjonerer den fullstendig.

Mens de fleste av oss lærte på skolen at materie kommer i tre former, fast stoff, væske og gass, må vi kanskje revidere denne forståelsen fra og med nå. 

Microsoft har oppdaget en ny materie

Et av de største problemene har vært stabiliteten til kvantebiter, eller qubits, som er svært følsomme for ytre påvirkninger. Eksperimentelle kvanteprosessorer har eksistert i flere år, men har vært begrenset av deres skjørhet og behovet for avanserte feilkorreksjoner. Etter nærmere 20 års forskning mener Microsoft nå at de har funnet løsningen: en ny tilstand av materie, muliggjort av en ny klasse materialer kalt topokonduktorer. Disse materialene åpner for et fundamentalt sprang innen databehandling og muliggjør Majorana 1, verdens første kvanteprosessor bygget på en topologisk kjerne.

NB: Nederst i artikkelen finner du forklaring på alle begrepene omkring kvanteteknologien.

Kvantemaskiner vs. tradisjonelle datamaskiner

For å forstå betydningen av Majorana 1, må vi først forstå hvordan kvantedatamaskiner skiller seg fra tradisjonelle datamaskiner. En vanlig datamaskin bruker bits, som enten kan være 0 eller 1. Disse binære verdiene lagrer og prosesserer informasjonen vi bruker i dag. Kvantedatamaskiner, derimot, benytter seg av kvantebiter, eller qubits, som kan eksistere i en superposisjon av både 0 og 1 samtidig. Dette gjør at kvantedatamaskiner potensielt kan utføre beregninger eksponentielt raskere enn klassiske maskiner.

Den store utfordringen med kvantedatamaskiner har vært stabilitet. De fleste kvantebitene i dagens eksperimentelle systemer er svært følsomme for ytre påvirkninger, noe som fører til feil og gjør det vanskelig å skalere teknologien. Microsoft hevder nå at deres Majorana-baserte teknologi kan løse dette problemet.

Majorana-partikler er nøkkelen til stabil kvanteberegning

I kjernen av Microsofts gjennombrudd ligger Majorana-partiklene, som lenge har vært et teoretisk konsept i fysikken. Majorana-partikler skiller seg fra elektroner og andre subatomære partikler ved at de er sine egne antipartikler. Dette betyr at når to Majorana-partikler møtes, kan de utslette hverandre, men de kan også oppføre seg på en måte som gjør dem langt mer motstandsdyktige mot kvantefeil.

Tradisjonelle kvantebiter, basert på elektroner eller fotoner, er notorisk ustabile og krever ekstremt lave temperaturer og feilkorreksjonsmekanismer for å opprettholde sin kvantetilstand. Majorana-partikler, derimot, har topologiske egenskaper som gjør dem naturlig beskyttet mot forstyrrelser fra omgivelsene. Dette betyr at en Majorana-basert qubit kan ha langt høyere stabilitet enn en tradisjonell kvantebit, noe som igjen kan føre til mer presise beregninger og en reduksjon av behovet for omfattende feilkorreksjon.

At Majorana 1 bruker Majorana-partikler i stedet for elektroner betyr i praksis at Microsoft kan bygge kvantedatamaskiner med langt færre feil. Dette er et avgjørende skritt mot å realisere virkelig brukbare kvantedatamaskiner, da ustabile qubits har vært en av de største hindringene for kvanteberegningens gjennombrudd.

//Artikkelen fortsetter etter annonsen//

Hva betyr en million qubits i praksis?

Majorana 1 har potensialet til å samle en million qubits i én enkelt kvanteprosessor. Dette er en radikal forbedring fra dagens kvanteprosessorer, som ofte opererer med noen få hundre qubits. Med en million qubits åpnes muligheten for å utføre beregninger som hittil har vært umulige for selv de kraftigste superdatamaskinene.

For virksomheter og forskningsinstitusjoner betyr dette en revolusjon innen simuleringer og modellering. Farmasøytiske selskaper kan bruke kvanteberegninger til å simulere molekylære interaksjoner på en måte som drastisk forkorter utviklingstiden for nye medisiner. Finanssektoren kan bruke kvantedatamaskiner til å optimalisere risikostyring og porteføljer på en måte som er langt mer presis enn dagens algoritmer tillater. Innen kunstig intelligens kan store nevrale nettverk trenes eksponentielt raskere, noe som kan gi AI-systemer langt større prediksjonsevner og forståelse av komplekse mønstre.

Innen sikkerhet og kryptografi vil en kvantedatamaskin med en million qubits kunne knekke dagens krypteringsmetoder på sekunder. Dette skaper et behov for helt nye sikkerhetsprotokoller og kan føre til en overgang til kvantesikker kryptering mye raskere enn tidligere antatt.

Fra tiår til år – en revolusjon i tidsperspektiv

Mange forskere har tidligere spådd at praktisk kvanteberegning ligger flere tiår unna. Microsoft mener imidlertid at Majorana-teknologien kan forkorte denne tidslinjen dramatisk. Ifølge selskapet kan vi forvente meningsfulle kvantedatamaskiner ikke om flere tiår, men i løpet av få år.

Hvis denne påstanden viser seg å holde vann, vil det ikke bare være en milepæl innen teknologi – det vil være en omveltning av hvordan vi forstår og bruker databehandling. Majorana 1 markerer dermed ikke bare et nytt kapittel i Microsofts kvanteforskning, men potensielt starten på en ny æra i menneskelig innovasjon. Spørsmålet er ikke lenger om kvantedatamaskiner blir en realitet, men hvor raskt vi vil se hvordan denne teknologien vil påvirke og endre hvordan vi lever, leker, lærer og jobber. 

//Artikkelen fortsetter etter annonsen//

Begrepsforklaringer:

Her er en forholdsvis enkel og forhåpentligvis lettfattelig forklaring av alle begrepene. Forklaringen har jeg fått ChatGPT til å skrive for meg: 

• Topokonduktor – Et nytt materiale som kan lede elektrisk strøm på en helt ny måte. I stedet for å fungere som vanlige ledere (som kobbertråder), har topokonduktorer spesielle kvanteegenskaper som gjør dem ekstremt stabile og effektive for bruk i kvantedatamaskiner. Microsofts nye kvanteprosessor, Majorana 1, er basert på slike materialer.
• Kvanteprosessor – En ny type prosessor som bruker kvantefysikk til å utføre beregninger mye raskere enn vanlige datamaskiner. Mens en tradisjonell prosessor beregner én ting av gangen (som en serie med lysbrytere som enten er av eller på), kan en kvanteprosessor jobbe med mange mulige løsninger samtidig, noe som gjør den ideell for ekstremt komplekse problemer.
• Kvantebit (qubit) – Byggesteinen i en kvantedatamaskin. I vanlige datamaskiner bruker vi bits (0 eller 1), men en kvantebit kan være 0, 1, eller begge samtidig – en tilstand kalt superposisjon. Dette gjør kvantedatamaskiner mye kraftigere enn dagens maskiner for visse typer beregninger.
• Topologisk kjerne – En spesiell måte å designe en kvanteprosessor på, som gjør den mer stabil og mindre utsatt for feil. I stedet for å bruke skjøre kvantebiter som lett påvirkes av omgivelsene, bygger Microsofts Majorana 1 på en topologisk kjerne, som bruker Majorana-partikler til å beskytte dataene mot støy og feil.
• Partikler – Byggesteinene i alt rundt oss – fra mennesker til stjerner. Partikler kan være store (som støvkorn) eller ekstremt små, som de som utgjør atomer (elektroner, protoner og nøytroner).
• Elektroner – Små, elektrisk ladede partikler som finnes i alle atomer og som beveger seg gjennom elektriske ledninger for å skape strøm. Vanlige datamaskiner fungerer ved å styre elektroners bevegelse gjennom kretsløp for å beregne ting.
• Fotoner – I noen kvantedatamaskiner brukes fotoner (lyspartikler) i stedet for elektroner til å overføre informasjon. Fotonbaserte kvantedatamaskiner har fordelen av å være raske og lite påvirket av temperatur.
• Subatomære partikler – De minste byggesteinene vi kjenner til, som elektroner, protoner og nøytroner. Disse utgjør atomer, som igjen bygger opp alt vi ser og rører ved. Kvantefysikk handler om hvordan disse små partiklene oppfører seg.
• Antipartikler – En «speilversjon» av vanlige partikler, men med motsatt ladning. For eksempel har elektroner en antipartikkel kalt positron, som har positiv ladning i stedet for negativ. Når en partikkel møter sin antipartikkel, kan de utslette hverandre. Majorana-partikler er unike fordi de er sine egne antipartikler.
• Molekylære interaksjoner – Hvordan ulike molekyler påvirker hverandre – for eksempel når en medisin binder seg til en celle i kroppen for å helbrede sykdom. Kvantedatamaskiner kan simulere disse interaksjonene mye raskere og mer presist enn vanlige datamaskiner, noe som kan revolusjonere utviklingen av medisiner og materialer.
• Nevrale nettverk – Et datasystem inspirert av hvordan hjernen vår fungerer. Brukes i kunstig intelligens (AI) for å lære av data, gjenkjenne mønstre og gjøre intelligente beslutninger – for eksempel i ansiktsgjenkjenning, taleassistenter og selvkjørende biler. Kvantedatamaskiner kan i fremtiden gjøre nevrale nettverk enda kraftigere, noe som kan føre til smartere AI-løsninger.