تراشه‌ی مایورانا ۱ مایکروسافت (Majorana 1)

تراشه ی مایورانا ۱ اولین نمونه‌ی سخت‌افزاری این شرکت برای ساخت رایانه‌ی کوانتومی مقیاس‌پذیر با کیوبیت‌های توپولوژیکی است. این تراشه بر پایه‌ی ذرات مایورانا طراحی شده؛ ذراتی که پادذره‌ی خودشان هستند و در حالت‌های خاص کوانتومی مانند نیمه‌رساناهای ابررسانا ظاهر می‌شوند.

مایکروسافت با تراشه‌ی Majorana 1 قصد دارد از کیوبیت‌های توپولوژیکی (Topological Qubits) استفاده کند. این نوع کیوبیت به دلیل خاصیت محافظت توپولوژیکی، در برابر نویزهای محیطی پایدارتر و مقاوم‌تر است؛ برخلاف کیوبیت‌های معمول که نسبت به خطا و اختلالات بسیار حساس‌اند.

کیوبیت معمولی (Conventional Qubits):
برای درک بهتر این موضوع بهتر است بررسی کنیم کیوبیت معمولی (Conventional Qubits) چیست؟

کیوبیت واحد بنیادی اطلاعات در رایانه‌های کوانتومی است. برخلاف بیت کلاسیک که دو حالت ۰ یا ۱ دارد، کیوبیت می‌تواند در برهم‌نهی (superposition) هر دو حالت قرار بگیرد، یعنی همزمان مقداری از ۰ و ۱ باشد. این خاصیت باعث قدرت عجیب رایانه‌های کوانتومی می‌شود.

اما چالش بزرگی وجود دارد که کیوبیت‌های معمولی (مثل کیوبیت ابررسانا در گوگل و IBM یا کیوبیت یونی در آیون‌کیو) حساسیت زیادی به نویز محیطی، خطاهای حرارتی و نویز الکترومغناطیسی دارند.
به عبارتی پایداری حالت کوانتومی (coherence time) آن‌ها پایین است؛ یعنی به سرعت دکوهیر (نابودی اطلاعات کوانتومی) اتفاق می‌افتد.

برای رفع این مشکل، سیستم‌ها باید تصحیح خطای کوانتومی (Quantum Error Correction) انجام دهند، که خود نیاز به هزاران کیوبیت فیزیکی برای ساخت یک کیوبیت منطقی با ثبات دارد.


در حالیکه در چیت مایورانا۱ مایکروسافت از کیوبیت توپولوژیکی استفاده شده که بر پایه‌ی ذرات مایورانا (Majorana Zero Modes) ساخته شده است.

مایورانا چیست؟
اگر از لحاظ فیزیکی آن را مورد بررسی قرار دهیم متوجه می‌شویم ذرات مایورانا حالت‌های شبه‌ذره‌ای هستند که در لبه‌های مواد ابررسانا و تحت شرایط خاصی به وجود می‌آیند.

خاصیت مهم این ذرات این است که پادذره‌ی خودشون می‌باشند؛ یعنی اگر در حالت عادی ذره‌ای با ضدذره‌اش برخورد کند، نابود می‌شود، ولی مایورانا خودش، ضد خودش است و در حالت Zero-Energy وجود دارد.

این ذرات به صورت زوج‌های جدا از هم در سیستم ظاهر می‌شوند، و اطلاعات کوانتومی نه تنها در یک نقطه، بلکه در دو مکان مختلف ذخیره می‌شود که به این حالت Non-local encoding می‌گویند.

توپولوژیک:
حال چرا به آن توپولوژیک می‌گوییم؟
توپولوژی در اینجا به معنی ویژگی‌هایی است که تحت تغییرات کوچک محیط تغییر نمی‌کنند. مانند اینکه یک فنجان و یک دونات از نظر توپولوژیکی مشابه‌اند چون هر دو سوراخ دارند!

به همین خاطر، حالت کوانتومی کیوبیت‌های توپولوژیکی در برابر نویزهای کوچک محیطی مقاوم‌تر است.

خطای محاسباتی در این مدل بسیار کمتر می‌باشد؛ پس نیازی به خطایابی‌های سنگین و مصرف منابع اضافی برای تصحیح خطا مانند مدل‌های دیگر ندارد.

مزایای تراشه ی مایورانا ۱:
مزیت اصلی تراشه مایورانا ۱ این است که امکان ساخت رایانه‌ی کوانتومی مقیاس‌پذیر و با نرخ خطای کمتر را فراهم می‌کند. در این معماری، اطلاعات کوانتومی در حالت‌های توپولوژیکی ماده رمزگذاری می‌شوند، که باعث افزایش پایداری و کاهش نیاز به تصحیح خطای کوانتومی می‌شود.

کاربردها و هدف نهایی مایکروسافت با این تراشه، رسیدن به محاسبات کوانتومی در مقیاس صنعتی، حل مسائل پیچیده ریاضی، شبیه‌سازی مواد جدید، و پیشرفت در حوزه‌هایی مثل داروسازی و هوش مصنوعی هست.


چالش‌های پیرامون تراشه مایورانا ۱:
البته هنوز چالش‌هایی پیرامون این تراشه وجود دارد.
برای مثال ایجاد و کنترل ذرات مایورانا به‌شدت دشوار است و هنوز اثبات وجود این ذرات در سیستم‌های مصنوعی، موضوعی قابل بحث است.

ضمنا کنترل دقیق شرایط آزمایشگاهی نیز چالش دیگری است؛ زیرا کوچک‌ترین اشتباه در طراحی مواد و شرایط، باعث نابودی حالت مایورانا می‌شود.


بهرحال مایکروسافت با کیوبیت‌های توپولوژیکی مبتنی بر مایورانا و تراشه Majorana 1 به دنبال ساخت رایانه کوانتومی مقیاس‌پذیر، پایدار و مقاوم به خطا است که برخلاف کیوبیت‌های معمول، با استفاده از رمزگذاری غیرمحلی و توپولوژیکی، ذاتاً مقاوم‌تر است، و در صورت موفقیت، می‌تواند مسیر توسعه رایانه‌های کوانتومی عملی را متحول کند.