Kuantumda Sahne Microsoftun: Karşınızda Majorana 1

Uzun süren meraklı bekleyişin ve çalkantılı bir Ar-Ge sürecinin ardından Microsoft, kuantum yarışında “Ben de varım!” dedi ve tartışmalara konu Majorana 1 çipini resmen duyurdu. Bu açıklama, Kitaev’in teorisiyle ^[1] başlayan topolojik kubit serüveninde yeni bir sayfa açtı. Her kubit teknolojisinde olduğu gibi hedef benzer: yüksek işlem kapasitesi, büyük veriyi kullanmada çığır açan hesaplama mekanizması.. Ancak bu kubiti diğer teknolojilerden ayıran önemli bir nokta var; topoloji. Gelin bu çipte hangi fiziksel üstünlüklerin öne çıktığına beraber bakalım.

^{Şekil 1: Microsoft tarafından tanıtılan topolojik kuantum bit tabanlı Majorana 1 çipi.(Microsoft Azure Quantum Blog)}

Topolojik Süperiletkenlik ve Majorana Fermiyonları

 Majorana 1 çipinin getireceği üstünlük maddenin yeni bir topolojik fazı olan “topolojik süperiletkenlik(TS)” fazından geliyor. Kafaların karışmaması için bu noktada şunu belirtelim; basın açıklamasında belirtildiğinin aksine TS maddenin yeni bir hali değil. TS, bir topolojik durumdur, katı, sıvı ve gaz ile aynı dönüşümün fazı değildir. Maddenin topolojik durumları, topolojik yalıtkan, sıradan yalıtkan, Kuantum Hall, Kuantum Spin Hall durumları gibi sıralanabilir. ^[2] 

 Kısaca bahsetmek gerekirse, bir sistemin topolojik olarak korunması o sistemin parametrelerinin dışarıdan gelecek etkilerden (sıcaklık, elektrik/manyetik alan) bağımsız olarak tamamından korunması demektir. Topolojik akımlar çeşitli malzemelerin yüzey, kenar hatta köşe noktalarında saptanabilir ve belirli simetrilerin bozulması sonucu oluşur.  Bu noktada topolojik bir süperiletkenin normal süperiletkenden farkı, barındırdığı süper akımın topolojik olarak korunmasıdır.

^{Şekil 2: Kitaev zinciri ve çalışma mekanizması; üst figürde elektron içindeki majorana çiftleri, alt figürde topolojik süperiletken fazındaki sistemde eşleşen majorana çiftleri.}

Konumuza dönecek olursak, topolojik süperiletkenlerin hayatımıza bu şekilde girmesinin asıl sebebi ise maddenin bu topolojik fazında bulunan Majorana fermiyonları. Her elektronun içinde iki tane bulunan bu egzotik fermiyonun teorisi İtalyan fizikçi Ettore Majorana tarafından ortaya atılmıştır. Majorana fermiyonlarının bu kadar önemli olması ise parçacıkların ne ışığın kuantize olmuş hali olan foton, ne de elektriğin kuantize olmuş hali olan elektron gibi bir istatistiksel dağılıma sahip olması. Her ne kadar “fermiyon” olarak adlandırılsa da, Majoranalar birer anyon olup aynı zamanda kendi anti-parçacığıdır. Microsoftun bu küçük fermiyonla bu kadar uğraşmasının sebebi ise Kitaev zinciri teknolojisi. Rus fizikçi Alexei Kitaev, tek bir elektron zinciri üzerindeki iki elektronu Majoranalar vasıtasıyla dolanık hale getirilebileceği ve bu sayede dışarıdan gelecek hiç bir fiziksel etkiden zarar görmeyecek bir kubit teknolojisi geliştirilebileceğini gösterdi ^[1]. Bunun üzerine kuantum bilgisayar yarışındaki cephanesini Majoranalara adayan Microsoft, uzun yıllardır topolojik süperiletken fazında oluşan Majorana fermiyonlarını kullanarak kubit geliştirmeye çalışıyordu.

Majorana 1 İşlemcisinin Özellikleri

Microsoft’un resmi sitesinde verilen bilgilere göre, topolojik çekirdek mimarisi üzerine geliştirilen bu çip bir milyon kubitin barındırılabileceği şekilde tasarlanmış. Güncel kuantum bilgisayarların kubit sayılarını düşündüğümüzde oldukça etkileyici bir sayı. Kubit yapısı ise nano-kablolardan oluşuyor. Topolojik yalıtkan fazına ulaşmak için gereken tek boyutlu sistem bu kablolarla sağlanıyor. Majoranalar süperiletken-yarıiletken arayüzünde oluşturuluyor. Bu çip için kullanılan yapı InAs-Al (Indium Arsenide- Aluminium) olup, Majoranaların bu nano-kabloların iki ucunda oluşması sağlanmıştır.^[3]

^{Şekil 3: Microsoft’un Majorana fermiyonlarını gözlemlediği sistem. Ortadaki gri bölge nano-tel, yeşil bölge ise süperiletken aliminyum çizgisi. Sarı bölgeler akım gönderen kontaklar, kırmızı bölgeler ise nano-elektronik kapılar. (Kaynak : QuTech/ TU Delft)}

Engebeli yollar: Peki Majorana bizi görecek mi?

 Microsoft’un bu tarihi açıklamasının ardından topolojik kubit camiasında homurdanmalar baş gösterdi. Bu tepkilerin arkasında ise Microsoft’un daha önce TU Delft ile birlikte 2018 yılında düşük enerjili Majorana salınımlarını gözlemlendiğini iddia ederek yayınladığı araştırmanın verilerin filtrelendiği anlaşılarak geri çekilmesi var.  Bu skandaldan sonra Microsoft’un TU Delft bünyesindeki yatırımını geri çekmesi ve 6 yıl sonra Majorana 1 çipini duyurması ise konunun uzmanı isimleri oldukça şüpheye düşürmüş durumda.

 Microsoft ekibi, dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılarıyla geliştirilen bu yeni topolojik kubit için de bir makale yayınladı. Basın açıklamasının yanı sıra bu araştırma en prestijli dergilerden biri olan Nature’ da yayınlandı. Fakat bu çalışmanın sonuç bölümünde basın açıklamasının aksine, bulguların “topolojik olduğunun iddia edilmediği” eklendi. Bu da camiadaki homurdanmaları arttırdı. 

Microsoft’un kuantum bilişim dünyasında çığır açacak bu atılımı her ne kadar çok sükse yaratsa da, sektörün önde gelenleri tarafından ciddi eleştirilere ve sorgulamalara maruz kaldı. Bir çok uzman aslında ortada bir kubit olmadığını, topolojik bir korunma bulunmadığını ve Microsoft’un uzun yıllar süren yatırımlarını doğrulamak için böyle bir adım attığını iddia ediyor. Microsoft ise süreçten umutlu. Her ne kadar teknoloji üzerindeki sis bulutu gizemini korusa da, teknoloji devi sahip olduğu bu teknolojiyle kuantum hesaplama sektöründeki amiral gemisi olacağına emin gözüküyor.

Yazar: İlkin Göksal

Redaksiyon: Figen Yılmaz

Kaynakça:

[1] “Unpaired Majorana fermions in quantum wires”, A Yu Kitaev 2001 Phys.-Usp. 44 131

[2] “Topological superconductors: a review”, Masatoshi Sato and Yoichi Ando 2017 Rep. Prog. Phys. 80 076501

[3] “Microsoft’s Majorana 1 chip carves new path for quantum computing”, https://news.microsoft.com/source/features/innovation/microsofts-majorana-1-chip-carves-new-path-for-quantum-computing/

[4] “Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices.” , Microsoft Azure Quantum., Aghaee, M., Alcaraz Ramirez, A. et al. Nature638, 651–655 (2025).

[5] Majorana 1, https://azure.microsoft.com/en-us/blog/quantum/2025/02/19/microsoft-unveils-majorana-1-the-worlds-first-quantum-processor-powered-by-topological-qubits/