Nach zwanzig Jahren des Schärfens des Schwertes zerschmettert Microsofts neu veröffentlichter riesiger Quantenchip die Supercomputer der Welt, und Musk leitet ihn weiter, um ihn zu unterstützen

Während alle über den nationalen Preis des iPhone 16e reden, ist Microsofts erster Quantencomputing-Chip Majorana 1 auch in Technologiekreisen zu Wang Feng geworden und wurde einer Menge Publicity beraubt.

Als phänomenale Neuigkeit im Technologiekreis ist Majorana 1 jedoch dennoch erwähnenswert, das Microsoft-CEO Satya Nadella nicht als Technologie-Hype, sondern als Weltklasse-Technologie bezeichnet.

Musk retweetete auch aufgeregt Nadellas Tweet und lobte die zunehmende Zahl von Durchbrüchen im Quantencomputing, was möglicherweise auch von außen die Bedeutung von Majorana 1 bestätigt.

Majorana 1 ist handtellergroß, aber kann es globale Supercomputing-Probleme lösen?

Der gerade von Microsoft auf den Markt gebrachte Majorana 1 ist der weltweit erste Quantenchip, der auf einer neuen topologischen Kernarchitektur basiert.

Ich kenne alle Wörter, aber ich kann sie nicht verstehen, wenn man sie zusammensetzt.

Machen Sie sich keine Sorgen, bevor wir diesen Satz verstehen, müssen wir einen Wissenspunkt verstehen – den „topologischen Leiter“.

Nach unserem traditionellen Verständnis existiert Materie hauptsächlich in drei Zuständen: fest, flüssig und gasförmig. Nach fast 20 Jahren der Erforschung ist es Microsoft gelungen, eine vierte Form des topologischen Zustands der Materie zu schaffen.

„Topologie“ ist ein ganz besonderes wissenschaftliches Prinzip, das die Übertragung und Speicherung von Informationen im Chip stabiler und weniger fehleranfällig machen kann. Microsoft-Wissenschaftler haben ein neues Material namens „topologischer Leiter“ entwickelt.

Microsoft sagte, dass topologische Leiter und die neuen Chips, die sie unterstützen, einen machbaren Weg für die Entwicklung von Quantensystemen darstellen, so wie die Erfindung der Halbleiter die heutigen Smartphones, Computer und elektronischen Geräte hervorgebracht hat.

Dieser topologische Leiter aus Indiumarsenid (Halbleiter) und Aluminium (Supraleiter) kann in einer Umgebung nahe dem absoluten Nullpunkt einen topologischen supraleitenden Zustand bilden, was ein superstabiles „Skelett“ für Quantenchips darstellt und einen großen Schritt in Richtung praktischer und leistungsfähiger macht.

Ein weiterer Wissenspunkt, den es zu beherrschen gilt, sind Qubits.

In herkömmlichen Computern können Bits nur 0 oder 1 darstellen, während Qubits in Quantencomputern gleichzeitig 0 und 1 oder jeden Zustand dazwischen darstellen können, was zu einer höheren Rechenleistung führt.

Allerdings können die meisten Arten von Qubits ihren Quantenzustand nur für sehr kurze Zeit, oft nur für den Bruchteil einer Sekunde, aufrechterhalten, was zu Rechenfehlern oder dem schnellen Verlust gespeicherter Informationen führt. Seit Jahren versuchen Unternehmen wie IBM, Microsoft und Google, Qubits so stabil zu machen wie binäre Bits.

Zu diesem Zweck hat Microsoft einen anderen Weg als IBM, Google und andere Unternehmen gewählt – die Entwicklung topologischer Qubits. Sie glauben, dass solche Qubits stabiler sind und weniger Fehlerkorrektur erfordern, was ihnen Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit, Skalierbarkeit und Steuerbarkeit verschafft.

Und dieser Weg beruht hauptsächlich auf einer besonderen Art von Teilchen, die nie tatsächlich beobachtet oder hergestellt wurde – dem Majorana-Teilchen.

Dieses spezielle Teilchen, das erstmals 1937 vom theoretischen Physiker Ettore Majorana vorgeschlagen wurde, kommt in der Natur nicht vor und kann nur unter bestimmten Bedingungen von Magnetfeldern und Supraleitern „induziert“ werden. Da es äußerst schwierig ist, die für die Erzeugung solcher Teilchen erforderlichen Materialien zu entwickeln, haben sich die meisten Quantencomputer-Forschungsteams entschieden, diesen Weg aufzugeben und stattdessen an anderen Arten von Qubits zu arbeiten.

Allerdings behauptet Microsoft mit Majorana 1 einen entscheidenden Durchbruch.

Der von ihnen entwickelte topologische Leiter hat zwei Ziele erfolgreich erreicht: Zum einen soll er Majorana-Teilchen unter bestimmten Bedingungen induzieren können, zum anderen soll er das Verhalten dieser Teilchen präzise steuern und so Qubits konstruieren können, deren Stabilität und Zuverlässigkeit herkömmliche Lösungen bei weitem übertreffen.

Auf dieser Basis hat das Microsoft-Team auch in der Messtechnik erhebliche Fortschritte gemacht.

Das Microsoft-Forschungsteam hat eine präzise, ​​durch digitale Impulse gesteuerte Messmethode entwickelt, die ungerade und gerade Änderungen in der Anzahl der Elektronen in supraleitenden Drähten (also den Unterschied in einem einzelnen Elektron) erkennen kann und so eine hochpräzise Messung des Qubit-Zustands ermöglicht.

Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Glas Murmeln, aber die Murmeln in diesem Glas sind so winzig, dass sie nicht einmal mit bloßem Auge sichtbar sind. Jetzt müssen Sie wissen, ob sich eine ungerade oder eine gerade Anzahl Murmeln im Glas befindet, und Sie müssen sehr genau sein, nicht einmal eine ist falsch.

Durch das Senden spezieller elektrischer Signale (z. B. durch das Leuchten des Lichts einer Taschenlampe) kann das Microsoft-Team genau sagen, ob die Anzahl der Murmeln im Glas ungerade oder gerade ist. In einem Quantencomputer müssen wir den Zustand jedes Qubits genau kennen (genau wie die Anzahl der Murmeln), um sicherzustellen, dass die Berechnung korrekt ist.

Wenn selbst diese grundlegendsten Informationen nicht genau gelesen werden können, ist der Quantencomputer wie ein Taschenrechner, der das falsche Problem löst und nutzlos ist.

Am selben Tag, an dem der Majorana-1-Chip auf den Markt kam, wurden auch entsprechende Forschungsarbeiten in „Nature“ veröffentlicht.

Seit Microsoft-Technikforscher Nayak im Jahr 2005 mit der Untersuchung dieses Problems begann, dauerte es fast 20 Jahre und umfasste mehrere CEOs, verschiedene Managementteams und mehrere Führungsebenen. Allein dieses Nature-Papier enthält die Namen von mehr als 160 Forschern, Wissenschaftlern und Ingenieuren.

Anders als die meisten Chiphersteller, die auf Hersteller wie TSMC angewiesen sind, werden die Kernkomponenten von Majorana 1 ausschließlich von Microsoft in den USA hergestellt. Der Hauptgrund dafür ist, dass sich die aktuelle Forschung und Entwicklung noch im experimentellen Kleinmaßstabsstadium befindet und es weder notwendig noch schwierig ist, eine OEM-Produktion in großem Maßstab zu erreichen.

In Bezug auf die physische Umsetzung verfügt Majorana 1 über ein einzigartiges H-förmiges Strukturdesign. Jede Struktur enthält vier steuerbare Majorana-Partikel, die wie Kacheln auf dem Chip erweitert werden können. Dieses Design ermöglicht es Qubits, eine kleinere Größe und eine höhere Integration zu erreichen und gleichzeitig die Stabilität beizubehalten.

Jedes topologische Qubit ist nur 1/100 mm groß. Der Majorana-1-Chip vor Ihnen hat nur die Größe einer Handfläche, integriert aber auch 8 Qubits. Je mehr Qubits der Chip hat, desto stärker sind seine Fähigkeiten.

Nadella behauptete sogar, dass dieser Chip, der leicht in der Hand gehalten werden kann, Probleme lösen kann, die alle Supercomputer auf dem Planeten nicht lösen können.

Allerdings sagte Jason Zander, Executive Vice President von Microsoft, in einem Interview mit CNBC: „Wir hoffen, Hunderte von Qubits zu erreichen, bevor wir über kommerzielle Zuverlässigkeit diskutieren.“

Um Quantencomputing im großen Maßstab zu erreichen, plant Microsoft, in Zukunft Millionen von Qubits auf einem einzigen Chip zu integrieren und soll sogar direkt in Azure-Rechenzentren eingesetzt werden. In dieser Hinsicht ist die Einschätzung des Physikers Sankar Das Sarma von der University of Maryland richtig, relevant und auf den Punkt gebracht:

Der größte Nachteil topologischer Qubits besteht darin, dass es sich immer noch eher um ein physikalisches Problem handelt, aber wenn alle heutigen Ankündigungen von Microsoft wahr sind … dann geht vielleicht die Physikphase zu Ende und die technische Implementierungsphase beginnt bald.

Das Millionen-Qubit-Supercomputing kommt möglicherweise schon früh auf den Markt. Wird Microsoft überleben?

„Egal, was Sie im Bereich Quantencomputing tun, es muss einen klaren Weg zu Millionen von Qubits geben. Andernfalls stoßen Sie auf einen Engpass, bevor Sie wirklich den Maßstab erreichen können, der die wichtigen Probleme lösen kann, die uns vorantreiben, und wir haben diesen Weg gefunden.“

Der technische Forscher von Microsoft, Chetan Nayak, sagte oben. Quantitative Veränderungen führen zu qualitativen Veränderungen, und die Unterbringung von Millionen von Qubits ist nur die unterste Schwelle für Quantencomputer. Wenn das, was Nayak gesagt hat, wahr ist, welche Auswirkungen wird es haben?

Microsoft-Beamte führten in ihrem Blog mehrere Beispiele an:

• Wir helfen bei der Erforschung der Ursachen von Korrosion und Rissen in Materialien und treiben die Entwicklung selbstheilender Materialien voran, beispielsweise bei der Reparatur von Rissen in Brücken oder Flugzeugteilen, zerbrochenen Mobiltelefonbildschirmen oder sogar zerkratzten Autotüren.
• Berechnen Sie die molekularen Eigenschaften von Katalysatoren, um Kunststoffschadstoffe in wertvolle Nebenprodukte zu zerlegen oder sogar direkt ungiftige Alternativmaterialien zu entwickeln.
• Simulieren Sie den Wirkungsmechanismus von Enzymen genau, um ihre Anwendung effizienter zu gestalten und dadurch die Bodenfruchtbarkeit zu verbessern, die Nahrungsmittelproduktion zu steigern oder ein nachhaltiges Wachstum von Nutzpflanzen unter rauen Klimabedingungen zu fördern und so zur Lösung des Problems des globalen Hungers beizutragen.

Am wichtigsten ist, dass Quantencomputing Branchen vom Gesundheitswesen bis zur Produktentwicklung revolutionieren wird, indem es Ingenieuren, Wissenschaftlern, Unternehmen und anderen Fachleuten erstmals ermöglicht, ideale Produkte präzise zu entwerfen.

Wenn die Leistungsfähigkeit des Quantencomputings mit KI-Tools kombiniert wird, können Menschen die neuen Materialien oder Moleküle, die sie herstellen möchten, in einer einfachen, unkomplizierten Sprache beschreiben und sofort umsetzbare Antworten erhalten, ohne Rätselraten oder jahrelanges Ausprobieren.

Mit den Worten von Matthias Troyer, Leiter Quantencomputing bei Microsoft:

„Jedes Unternehmen, das in der Fertigung tätig ist, kann ein Produkt beim ersten Versuch perfekt entwerfen, und ein Quantencomputer wird die Antwort direkt liefern. Ein Quantencomputer kann der KI die „Sprache der Natur“ beibringen, sodass die KI einem direkt sagen kann, wie man das zubereitet, was man möchte.“

Obwohl viele wissenschaftliche und technische Herausforderungen gelöst wurden, wird es noch mehrere Jahre dauern, bis die reifen Früchte geerntet werden. Die technische Forscherin von Microsoft, Krysta Svore, erwähnte, dass die Materialstapelung topologischer Materie einer der schwierigsten Teile des gesamten Prozesses sei.

Wie eingangs erwähnt bestehen die topologischen Leiter von Microsoft aus Indiumarsenid statt aus herkömmlichen Siliziummaterialien. Indiumarsenid verfügt über besondere physikalische Eigenschaften, die es für Anwendungen wie Infrarotdetektoren geeignet machen. Durch die Kombination mit Supraleitung bei extrem niedrigen Temperaturen entsteht ein Hybridmaterial.

Microsoft „sprüht“ das Material Atom für Atom und erfordert eine perfekte Anordnung des Materials. Wenn der Materialstapel zu viele Defekte aufweist, wird die Leistung des Qubits stark beeinträchtigt.

Es stellt sich die Frage: „Was war zuerst da, das Huhn oder das Ei?“ Wenn wir bessere Quantencomputer herstellen wollen, brauchen wir perfektere Materialien, aber um zu verstehen, wie wir perfektere Materialien herstellen können, brauchen wir die Hilfe von Quantencomputern.

Die Ankunft von Quanten-Supercomputern muss jedoch möglicherweise nicht lange auf sich warten lassen. Gemäß der von Microsoft entwickelten Roadmap haben wir mehrere wichtige Punkte zusammengefasst:

• Demonstration der weltweit ersten topologischen Qubits und Integration von 8 topologischen Qubits auf einem einzigen Chip.
• Es ist geplant, ein 4×2-Qubit-Array zu bauen, um Quantenverschränkung und Quantenfehlererkennung zu demonstrieren.
• Letztendlich wird ein einzelner Chip in der Lage sein, Millionen von Qubits zu integrieren, wodurch ein Quanten-Supercomputer entsteht und die praktische Nutzung des Quantencomputings gefördert wird.

Andererseits hat die US-amerikanische Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Microsoft als eines von zwei Unternehmen ausgewählt, um in die letzte Phase des „unterentwickelten Quantencomputersystems im Versorgungsmaßstab“ (US2QC) einzutreten.

Diese Initiative ist Teil des größeren Quanten-Benchmarking-Programms der DARPA, mit dem überprüft werden soll, ob bis 2033 ein praktischer Quantencomputer gebaut werden kann.

Mit anderen Worten: Microsoft rechnet damit, in Jahren und nicht in Jahrzehnten einen fehlertoleranten Prototyp eines Quantencomputers auf Basis topologischer Qubits zu bauen.

+1 für die Lifetime-Serie.

Natürlich ist nicht jeder optimistisch, was diese Entwicklungsgeschwindigkeit angeht. Nvidia-CEO Jensen Huang erklärte Anfang des Jahres auf der CES 2025 öffentlich, dass es bis zur praktischen Umsetzung von Quantencomputern noch mindestens 20 Jahre dauern werde.

Wenn Sie sagen, dass Sie in 15 Jahren einen sehr nützlichen Quantencomputer bauen können, ist das wahrscheinlich etwas zu früh. Wenn Sie 30 Jahre sagen, ist es wahrscheinlich zu spät. Wenn Sie 20 Jahre sagen, werden das wahrscheinlich viele von uns glauben.

Huang Renxuns kaltes Wasser ist nicht völlig aus Wettbewerbsgründen erforderlich. Quantencomputing erfordert GPUs für Hybrid-Computing-Simulation und Algorithmusoptimierung, und Nvidias GPUs können die KI-Verallgemeinerungsfähigkeiten von Quantencomputern verbessern und sich auch gegenseitig ergänzen.

Als Ergänzung ist das amerikanische Startup PsiQuantum ein weiteres von DARPA ausgewähltes Unternehmen, dessen Quantencomputertechnologie auf Photonen-Qubits basiert. Letztes Jahr kündigte PsiQuantum eine Investition in Höhe von 620 Millionen US-Dollar in Australien an, um ein vollwertiges Quantencomputersystem aufzubauen.

Bezüglich der topologischen Qubits von Microsoft gibt es noch eine weitere Geschichte über den Rückzug der Natur, die erwähnt werden muss.

Wissenschaftler suchen seit langem nach Beweisen für die Existenz von Majorana-Teilchen. Im Jahr 2012 veröffentlichten Leo Kouwenhoven und sein internationales Team erstmals experimentelle Hinweise auf die Existenz von Majorana-Teilchen.

Die Forschung wurde außerdem von Physics World zu einem der zehn größten Durchbrüche des Jahres gekürt.

Im Jahr 2016 gründete Microsoft das Microsoft Quantum Lab und stellte Kouwenhoven als Direktor ein, um die Forschung an Majorana-Qubits voranzutreiben. Zwei Jahre später schienen ihre Bemühungen mit der Veröffentlichung eines aufsehenerregenden Artikels in Nature einen großen Durchbruch erreicht zu haben.

In diesem Artikel wurde erwähnt, dass sie zwei Elektronen in Paaren am Ende des Nanodrahts in einer extrem niedrigen Temperaturumgebung von 0,02 K beobachteten, wobei sich ein Elektron im Halbleiterteil und das andere Elektron in der supraleitenden Schicht befand.

Das Problem ist jedoch, dass sie nur die Existenz eines Elektronenpaares nachweisen können, nicht jedoch das andere Paar, was eine notwendige Voraussetzung für die Bildung von Majorana-Qubits ist.

Angesichts der Skepsis seitens der wissenschaftlichen Gemeinschaft analysierte Kouwenhovens Team die Originaldaten erneut und baute den Versuchsaufbau um, um bestimmte Parameter zu kalibrieren. Es stellte sich heraus, dass die experimentellen Ergebnisse früherer Arbeiten schwer zu reproduzieren waren.

Im Jahr 2023 veröffentlichte Nature offiziell eine Widerrufserklärung, und das Kouwenhoven-Team räumte außerdem auf pragmatische Weise die Mängel des Papiers in Bezug auf die wissenschaftliche Genauigkeit ein und entschuldigte sich bei der akademischen Gemeinschaft.

Eine eingehende Untersuchung ergab, dass das Forschungsteam keinen Betrug begangen hatte, es jedoch tatsächlich zu Datenüberprüfungen und experimentellen Fehlern kam.

Berichten zufolge löste dieser Rückzug in der akademischen Gemeinschaft zahlreiche Diskussionen über den „Überhype“ der Quantencomputing-Forschung aus. Dies ist auch ein wichtiger Grund, warum der Microsoft-CEO in der X-Plattform-Ankündigung ausdrücklich betonte, dass die Veröffentlichung von Majorana 1 kein Hype sei.

Natürlich ist die Quantencomputing-Forschung äußerst komplex, und der Rückzug hat die Machbarkeit von Majoranas Qubit-Technologie-Route nicht geleugnet. Verglichen mit dem 2018 veröffentlichten Papier, sieben Jahre später, könnte der „sture“ Microsoft die unvollendete Geschichte mit Majorana 1 umgeschrieben haben.

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Ai Faner |. Ursprünglicher Link · Kommentare anzeigen · Sina Weibo