Microsoft har satsat pengar på kvantumberäkningsvetenskap i några år nu och finansierar en del av grundforskningen som kan låta oss producera datorer baserat på det faktum att elektroner kan vara i många stater samtidigt (som kallas "superposition" ).

I datorerna vi använder idag, strömmar elektroner genom transistorportar inuti en processor som är antingen öppen eller stängd - en eller noll i binär- men vad vi bryr oss om är grinden, inte elektronen. Med en qubit (kort för kvantbit) är det elektronerna själva som lagrar informationen, och det är en och noll samtidigt och allt däremellan.

Wire tillsammans 300 qubits i en kvantdator och de kunde lagra mer information än det finns atomer i universum. Plus "entanglement" mellan qubits innebär att en operation i en kvantdator gör samma mängd faktiska datorer som många normala operationer, så programmen körs mycket snabbare.

  • För vardagliga användare borde en MacBook Pro vara tillräcklig

Stora problem

Men det finns några stora problem i vägen för framsteg när det gäller att göra dessa små datoranordningar. Namnlösa: Hur man håller kontrollen över exotisk materia fysik tillräckligt bra för att göra en tillförlitlig qubit som inte förlorar resultatet av sin beräkning innan du kan hämta det, för att inte tala om att leda fler än några av dem tillsammans till ett helt system, och hålla det väldigt kallt när du kör det.

De flesta som hanterar kvantkalkyler tittar på superledande qubits, men Microsoft tar ett helt annat tillvägagångssätt.

Microsoft forskningschef Peter Lee

“Tänk dig att lägga ut tusentals toppar i ett gym och få dem alla att snurra på en gång, i en komplicerad konfiguration - med några av dem går medurs och vissa går moturs,” Microsoft forskningschef Peter Lee berättade TechRadar. “För superledande qubits har vi ingenjörskunskap att göra det med tiden. Det är en anmärkningsvärd teknisk prestation som världen vet hur man gör det. Men det är inte stabilt; inom tiotals mikrosekunder faller det ifrån varandra.” Och ju mer qubits du lägger till desto sämre blir problemet.

I stället satsar Microsoft på topologiska qubits, som inte använder elektronens egenskaper - som kan ändras med den minsta interaktionen med vad som finns omkring det, som det elektriska fältet i någon närliggande elektronik - men snarare i vilken ordning vissa mycket exotiska partiklar kallas Majorana fermioner eller någon, ändra position.

“Under förhållanden av magnetiskt flöde,” förklarar Lee, “de kretsar i vissa mönster, och om du föreställer dig att de släpar en tråd bakom dem när de kretsar kring varandra, flätar de den där tråden i ett mönster - och mönstret av flätningen kodar kvantkalkylen. Det kan vara mycket ljud och vinkla i banan, det kan vara en ful bana - men det är definitivt boll i ett tydligt mönster.”

Superledande qubits håller fortfarande mycket potential, säger Lee, men topologiska qubits kan hoppa över dem. “Superledande qubits är att kvantum beräkna vilka vakuumrör som är till digitala datorer - men topologiska qubits är att kvanta beräknar vilka transistorer som är digitala datorer. När vi byggde datorer ur vakuumrör var de väldigt användbara - du kunde beräkna en bättre missilbana - men det blev aldrig en skalbar teknik.”

Från teori till teknik

Någon var tänkt av en italiensk fysiker, Ettore Majorana, på 1930-talet, då en fysikprofessor kallade Alexei Kitaev “snubblat över dem årtionden senare och insåg om de fanns, kan du använda dem för att göra kvantkalkylering,” säger Lee.

En annan matematikprodigy, Michael Freedman, hade tänkt på knutteori som ett sätt att göra en kvantdator; när han gick med i Microsoft Research 1997 träffade han Kitaev. Vid 2004 var Freedman övertygad om att det skulle vara möjligt att bygga topologiska qubits - så länge som någons var faktiskt verkliga.

Han gick till Craig Mundie, som körde Microsofts forskningsstrategi - Mundie hyrde inte bara några mer teoretiska fysiker, han finansierade sex akademiska experimentella fysiklaboratorier runt om i världen för att driva experiment för att bevisa, på ett eller annat sätt, om de existerar.

Ett labb i Nederländerna hittade något med rätt egenskaper 2011, sedan en annan i Holland 2012. “Plötsligt var det, och du kunde börja drömma om möjligheten att bygga qubits med detta topologiska skydd,” entusiaster Lee.

Fringsteorin hade blivit mainstream. I 2014 inrättades matematikerna och teoretiska fysikerna i Station Q - Quantum Research Lab Microsoft i Santa Barbara 2006 - fick några nya kollegor. Microsofts Quantum Architectures and Computation-grupp är uppbyggd av Burton Smith - grundare av Cray, det ursprungliga superdatorbolaget - och Doug Carmean, arkitekten bakom viktiga Intel-chips som Pentium 4 och Nehalem Core i5 och i7 (de första chipsen till använd högkalibrerade metallportar), så de har gott om erfarenhet som arbetar precis vid gränsen för vad du kan göra med kisel.

Och nu har de förenats av Todd Holmdahl. Microsofts nya företagsdirektör för kvant har varit ansvarig för att lansera produkter som Xbox och Kinect och han tog ombord viktiga Microsoft-hårdvarupersoner som Alex Kipman, Kudo Tsunoda och Steven Bathiche, så hans nya jobb är ett tecken på att Microsoft anser att möjligheten kan bli verklighet.

“Jag tror inte att det finns ett avgörande ögonblick, men vi är vid denna inflexionspunkt mellan vetenskap och teknik,” Holmdahl berättade för TechRadar och ger tre skäl till att han tycker att det är dags att flytta från forskning till teknik, trots att många av problemen är långt ifrån lösas.

“Vi har en riktigt bra linje i linje med att kontrollera en topologisk qubit - vi har underlättat dem de senaste tio åren och mer eftersom vi tror att de kommer att ha en längre sammanhållningstid, de kommer att vara immun mot buller och de kommer att tillåta oss att skala mycket snabbare. Vi tror att vi håller oss mycket nära att kontrollera det.”

“Det andra stora är att vi arbetar med ett antal odlare som odlar materialet för oss och bygger enheterna, och vi finner att vi kan göra det mycket snabbare än tidigare.” Det betyder att Microsoft kan prova nya idéer för att göra och ansluta qubits snabbare också. “När vi går igenom konstruktionsprocessen är det en stor fördel att kunna komma igenom prototypfasen på ett snabbt sätt.”

Microsoft kan redan växa nanotrådar för qubits relativt snabbt, men det går vidare till 2D-elektrongasprocesser, vilket kan innebära att tillverkningsprobiter i framtiden kan ske med samma hastighet som att göra transistorer. Det betyder prototyper inom en tidsram av veckor “och sedan flera månader för produktionstid,” Holmdahl föreslår. “I slutändan tror jag någonting som det blir lösningen som gör att vi kan skala det snabbaste i framtiden.” Återigen, det är Microsoft som tar en annan riktning från de flesta andra team som arbetar med kvantkalkylering.

“Det tredje området är att konstruktionen och arkitekturen som vi bygger ser ut att vara mycket skalbar och vi har skapat en färdplan för framtiden för vad vår kvantdator kan se ut. Inte bara har vi en uppfattning om vad en qubit ser ut, men hur hundratals och tusen av dem ser ut - hur de kommer att läggas ut, hur vi kan styra dem, hur vi kommer att kunna ha de pratar med varandra.”

Hela datorn

Quantum computing behöver mer än bara qubits; det behöver en hel dator och en programmeringsmodell för den. “Fysiken, qubitsna, är bara en del av det,” Holmdahl påpekar. “En av de vackraste sakerna att arbeta hos Microsoft är att vi har tillgång till de andra saker som är mycket viktiga - den klassiska datorn vi behöver kontrollera qubits, vi har tillgång till programvaran som kommer att köras på den klassiska datorn, vi har Tillgång till de applikationer som kommer att göra de fantastiska sakerna som finns där ute i kvantkalkylering, dessa otänkbara problem. Vi arbetar på alla dessa.”

“Vi fördukar mer än våra resurser som vi investerar i detta. Vi lägger till fler forskningsresurser, vi lägger till ytterligare tekniska resurser för att hjälpa dem. Vi lägger till mycket fler människor, vi lägger till dollar för utrustning och vi lägger till fokus.

“Jag har gjort det här ett par gånger med Kinect och HoloLens, och jag tror att vi lägger in rätt mängd resurser som ger oss den bästa chansen att få någonting på rätt tid. Jag satsar alltid stort på teknik så att vi kommer att kunna räkna ut många av de problem som vi behöver ta reda på för att göra den tillgänglig.”