Microsoft har satt penger inn i vitenskapen om kvantemodell i ganske mange år nå, og finansierer noen av grunnforskningen som kan la oss produsere datamaskiner basert på det faktum at elektroner kan være i mange stater samtidig (som kalles "superposition" ).

I datamaskiner vi bruker i dag, strømmer elektroner gjennom transistorportene i en prosessor som er enten åpne eller lukkede - en eller null i binær - men det vi bryr oss om er porten, ikke elektronen. Med en qubit (kort for kvantebit), er det elektronene selv som lagrer informasjonen, og det er en og null samtidig, og alt i mellom.

Wire sammen 300 qubits i en kvantecomputer, og de kan lagre mer informasjon enn det er atomer i universet. Pluss innblanding mellom qubits betyr at en operasjon i en kvantecomputer gjør samme mengde faktisk beregning som mange normale operasjoner, slik at programmene løper langt raskere.

  • For daglig bruk, bør en MacBook Pro være tilstrekkelig

Store problemer

Men det er noen store problemer i veien for fremgang når det gjelder å lage disse små datamaskiner. Nemlig hvordan å holde kontroll over eksotisk materie fysikk godt nok til å lage en pålitelig qubit som ikke mister resultatet av sin beregning før du kan hente det, for ikke å nevne ledninger flere enn noen av dem sammen i et fullt system, og holde det veldig kaldt mens du kjører det.

De fleste som håndterer kvantemåling ser på superledende qubits, men Microsoft tar en helt annen tilnærming.

Microsoft forskning sjef Peter Lee

“Tenk deg å legge ut tusenvis av topper i et treningsstudio og få dem til å spinne på en gang, i en komplisert konfigurasjon - med noen av dem går med klokken og noen går mot klokken,” Microsofts forskningsjef Peter Lee fortalte TechRadar. “For superledende qubits har vi ingeniørvitenskapen til å gjøre det, over tid. Det er en bemerkelsesverdig engineering prestasjon som verden vet hvordan man gjør det. Men det er ikke stabilt; innen tiotalls mikrosekunder faller det fra hverandre.” Og jo mer qubits du legger til, jo verre blir problemet.

I stedet satser Microsoft på topologiske qubits, som ikke bruker elektronens egenskaper - som kan endres med det minste samspillet med det som er rundt det, som det elektriske feltet til en nærliggende elektronikk - men heller rekkefølgen der noen veldig eksotiske partikler kalt Majorana fermions eller anyons, endre posisjon.

“Under betingelser av magnetisk flux,” forklarer Lee, “de bane i visse mønstre, og hvis du forestiller deg at de drar en tråd bak dem når de kretser rundt hverandre, fletter de den tråden inn i et mønster - og mønsteret av fletningen koder for kvanteberegningen. Det kan være mye støy og wiggling i bane, det kan være en stygg bane - men det er definitivt bølgende i et klart mønster.”

Superledende qubits har fortsatt mye potensial, sier Lee, men topologiske qubits kan hoppe over dem. “Superledende qubits er å kvantum beregne hva vakuumrør er til digitale datamaskiner - men topologiske qubits er å kvantum beregne hvilke transistorer som er til digital databehandling. Da vi bygde datamaskiner ut av vakuumrør, var de veldig nyttige - du kunne beregne en bedre missilbane - men det var aldri en skalerbar teknologi.”

Fra teori til engineering

Enhver ble oppfattet av en italiensk fysiker, Ettore Majorana, på 1930-tallet, da en fysikkprofessor kalte Alexei Kitaev “snublet over dem tiår senere og innså at hvis de eksisterte, kan du bruke dem til å gjøre kvantemåling,” sier Lee.

En annen matematikprodigie, Michael Freedman, hadde tenkt på knutteori som en måte å lage en kvantecomputer på; da han kom til Microsoft Research i 1997, tok han sammen med Kitaev. I 2004 var Freedman overbevist om at det ville være mulig å bygge topologiske qubits - så lenge noen faktisk var ekte.

Han dro til Craig Mundie, som kjørte Microsofts forskningsstrategi - Mundie hyret ikke bare noen flere teoretiske fysikere, han finansierte seks akademiske eksperimentelle fysikklaboratorier rundt om i verden for å drive eksperimenter for å bevise, en eller annen måte, hvis de eksisterer.

Et laboratorium i Nederland fant noe med de riktige egenskapene i 2011, deretter en annen i Holland i 2012. “Plutselig var det, og du kunne begynne å drømme om muligheten for å bygge qubits med denne topologiske beskyttelsen,” oppfordrer Lee.

Fringe-teorien var blitt vanlig. I 2014 satte matematikere og teoretiske fysikere i Stasjon Q - kvanteforskningslaboratoriet Microsoft opp i Santa Barbara i 2006 - fikk noen nye kolleger. Microsofts Quantum Architectures and Computation-gruppe er ledet av Burton Smith - medstifter av Cray, det opprinnelige supercomputing-selskapet - og Doug Carmean, arkitekten bak viktige Intel-chips som Pentium 4 og Nehalem Core i5 og i7 (de første chipsene til bruk høy-K metall porter), så de har god erfaring med å arbeide rett på grensen av hva du kan gjøre med silisium.

Og nå har de blitt med Todd Holmdahl. Microsofts nye bedriftsdirektør for kvante har ansvaret for å lansere produkter som Xbox og Kinect, og han tok ombord viktige Microsoft-maskinvare som Alex Kipman, Kudo Tsunoda og Steven Bathiche, så hans nye jobb er et tegn på at Microsoft mener muligheten kan bli virkelighet.

“Jeg tror ikke det er et definerende øyeblikk, men vi er på dette bøyningspunktet mellom vitenskap og ingeniørfag,” Holmdahl fortalte TechRadar og ga tre grunner til at han syntes det var på tide å flytte fra forskning til ingeniørarbeid, selv om mange av problemene er langt fra løst.

“Vi har en veldig god linje med syn på å kontrollere en topologisk qubit - vi har lagt vekt på de siste ti årene, og mer fordi vi tror at de vil ha en lengre sammenhengstid, de vil være immun mot støy og de vil tillate oss å skalere mye raskere. Vi tror vi nærmer oss å kontrollere det.”

“Den andre store tingen er at vi jobber med en rekke produsenter som vokser materialene for oss og bygger enhetene, og vi finner at vi kan gjøre dette mye raskere enn tidligere.” Det betyr at Microsoft kan prøve nye ideer for å lage og koble qubits raskere også. “Når vi går gjennom prosessprosessen, er det en stor fordel å kunne komme gjennom prototypefasen på en rask måte.”

Microsoft er allerede i stand til å vokse nanotråder for qubits 'relativt raskt', men det går videre til 2D-elektrongasprosesser, noe som kan bety at fremdriftsproblemer i fremtiden kan gjøres i samme hastighet som å lage transistorer. Det betyr prototyper i en tidsramme av uker “og så flere måneder for produksjonstid,” Holmdahl foreslår. “Til syvende og sist tror jeg noe som det vil være løsningen som gjør at vi kan skalere den raskeste i fremtiden.” Igjen, det er Microsoft som tar en annen retning fra de fleste andre lag som arbeider med kvantemåling.

“Det tredje området er at design og arkitektur som vi bygger, ser ut til å være meget skalerbare, og vi har laget en køreplan for fremtiden for hva vår kvantecomputer kan se ut. Ikke bare har vi en ide om hva en qubit ser ut, men hva hundrevis og tusen av dem ser ut - hvordan de blir lagt ut, hvordan vi kan styre dem, hvordan vi kan ha de snakker med hverandre.”

Hele datamaskinen

Quantum computing trenger mer enn bare qubits; den trenger en hel datamaskin, og en programmeringsmodell for den. “Fysikken, qubits, er bare en del av det,” Holmdahl påpeker. “En av skjønnhetene ved å jobbe hos Microsoft er at vi har tilgang til de andre tingene som er svært viktige - den klassiske datamaskinen vi trenger for å kontrollere qubits, vi har tilgang til programvaren som skal kjøre på den klassiske datamaskinen, har vi tilgang til programmene som skal gjøre de fantastiske tingene som er der ute i quantum computing, disse vanskelige problemene. Vi jobber med alle disse.”

“Vi fordobler mer enn våre ressurser som vi investerer i dette. Vi legger til flere forskningsressurser, vi legger til flere tekniske ressurser for å hjelpe dem ut. Vi legger til mange flere mennesker, vi legger til dollar for utstyr, og vi legger til fokus.

“Jeg har gjort dette et par ganger med Kinect og HoloLens, og jeg tror vi legger inn riktig mengde ressurser som gir oss den beste muligheten til å få noe i riktig tid. Jeg satser alltid stort på teknologi som vi vil kunne finne ut av mange problemer som vi trenger å finne ut for å gjøre den allment tilgjengelig.”