重大突破！本周四，微軟宣布造出了一款前所未有的量子計(jì)算芯片 Majorana 1，并稱可以在單塊芯片上讓數(shù)百萬(wàn)量子比特協(xié)同工作，解決之前無(wú)法的解決的問(wèn)題，從新藥物研發(fā)到創(chuàng)造革命性的新材料。

微軟 CEO 薩提亞?納德拉為此專門撰寫了一條長(zhǎng)推文，短時(shí)間內(nèi)就已經(jīng)收獲了上千萬(wàn)閱讀量，其中提到 Majorana 1 是首款建立在拓?fù)浜诵模╰opological core）上的量子處理單元，而這一成就的基礎(chǔ)是他們創(chuàng)造的「一種全新的物質(zhì)狀態(tài)」，而這又解鎖了一類新材料。他們稱之為 topoconductor，這里譯為「拓?fù)鋵?dǎo)體」。

納德拉表示，使用拓?fù)鋵?dǎo)體可以制造出更快、更小、更可靠的量子比特。其尺寸可小至百分之一毫米，這意味著我們可以在較小的體積內(nèi)集成大量量子比特。

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納德拉寫到：「我們相信，這一突破將使我們能在幾年內(nèi)（而非像一些人預(yù)測(cè)的幾十年）創(chuàng)造出一臺(tái)真正有意義的量子計(jì)算機(jī)。」

基于新材料和新架構(gòu)，微軟已經(jīng)構(gòu)建了世界上首個(gè)基于拓?fù)淞孔颖忍氐娜蒎e(cuò)原型（FTP）。

以下為微軟發(fā)布的宣傳視頻：

這一消息可說(shuō)是讓整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)都沸騰了，正如去年底谷歌宣布了量子芯片 Willow 時(shí)一樣 —— 谷歌稱 Willow 能在 5 分鐘內(nèi)完成超級(jí)計(jì)算機(jī) 102? 年才能完成的計(jì)算。

Majorana 1 是微軟歷時(shí) 17 年，通過(guò)持續(xù)研究量子計(jì)算新材料和架構(gòu)獲得的成果。微軟認(rèn)為，該芯片讓量子計(jì)算機(jī)大規(guī)模應(yīng)用成為了可能。

量子計(jì)算機(jī)的核心是量子比特，它是量子計(jì)算中的信息單位，就像當(dāng)今計(jì)算機(jī)使用的二極管一樣。多年來(lái)，IBM、微軟、谷歌等公司一直試圖讓量子比特像二進(jìn)制比特一樣可靠，但因?yàn)榱孔颖忍馗哟嗳酰瑢?duì)噪音更敏感，容易產(chǎn)生誤差或?qū)е聰?shù)據(jù)丟失。

基于全新的理念，Majorana 1 處理器有望將 100 萬(wàn)個(gè)量子比特集成到一個(gè)芯片上，該芯片與臺(tái)式電腦和服務(wù)器中的 CPU 差不多大。微軟沒(méi)有在新芯片中使用電子進(jìn)行計(jì)算，而是使用了理論物理學(xué)家埃托雷?馬約拉納（Ettore Majorana）在 1937 年提出的馬約拉納粒子。微軟通過(guò)創(chuàng)造所謂的「世界上第一個(gè)拓?fù)鋵?dǎo)體」達(dá)到了這一里程碑。

拓?fù)鋵?dǎo)體是一種新型材料，不僅可以觀察，還可以控制馬約拉納粒子，以創(chuàng)造更可靠的量子比特。

微軟 Majorana 1 處理器非常小。

微軟的工作登上了最新一期的《自然》雜志，其中概述了研究成果。微軟幫助創(chuàng)造了一種由砷化銦和鋁制成的新材料，并將八個(gè)拓?fù)淞孔颖忍胤旁趩螇K芯片上，目標(biāo)是最終能擴(kuò)展到 100 萬(wàn)個(gè)。

• 論文標(biāo)題：Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices
• 論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2

不僅如此，微軟還發(fā)布了一份實(shí)現(xiàn)「可靠量子計(jì)算」的路線圖，稱這是他們實(shí)現(xiàn)「從單量子比特設(shè)備到能夠進(jìn)行量子糾錯(cuò)的陣列的路徑。」

• 路線圖地址：https://arxiv.org/pdf/2502.12252

一個(gè)擁有 100 萬(wàn)個(gè)量子比特的芯片可以執(zhí)行更精確的模擬，幫助提高人類對(duì)自然世界的理解，并在醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域取得突破。多年來(lái)，這一直是我們對(duì)于量子計(jì)算的愿景，而微軟相信其拓?fù)鋵?dǎo)體或拓?fù)涑瑢?dǎo)體是下一個(gè)重大突破。

微軟量子公司副總裁 Zulfi Alam 表示：「我們?cè)谶^(guò)去 17 年里一直在研究這個(gè)項(xiàng)目。這是公司里運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的研究項(xiàng)目。17 年后，我們展示的成果不僅令人難以置信，而且真實(shí)存在。它們將從根本上重新定義量子計(jì)算下一階段的發(fā)展方式。」

一種全新的材料

微軟表示，這一切突破的基礎(chǔ)都可以歸因于一種新材料：拓?fù)鋵?dǎo)體（topoconductor）。基于這種革命性的新材料，微軟打造出了拓?fù)涑瑢?dǎo)體（topological superconductivity）—— 這種物質(zhì)狀態(tài)之前只存在于理論之中。

微軟博客寫到：「這一進(jìn)步源于微軟在設(shè)計(jì)和制造柵極定義設(shè)備（gate-defined device）方面的創(chuàng)新，這些設(shè)備結(jié)合了砷化銦（一種半導(dǎo)體）和鋁（一種超導(dǎo)體）。當(dāng)冷卻到接近絕對(duì)零度并用磁場(chǎng)調(diào)節(jié)時(shí)，這些設(shè)備會(huì)形成拓?fù)涑瑢?dǎo)納米線，導(dǎo)線末端具有馬約拉納零模式（MZM）。」

過(guò)去近百年的時(shí)間里，MZM 這些準(zhǔn)粒子只存在于教科書中。現(xiàn)在，微軟可以根據(jù)需要在拓?fù)鋵?dǎo)體中創(chuàng)建和控制它們。MZM 是微軟量子比特的基本模塊，其能通過(guò)「奇偶校驗(yàn)」存儲(chǔ)量子信息 —— 看這些線包含偶數(shù)還是奇數(shù)個(gè)電子。

在傳統(tǒng)超導(dǎo)體中，電子結(jié)合成庫(kù)珀對(duì)并會(huì)無(wú)阻力地移動(dòng)。任何未配對(duì)的電子都可以被檢測(cè)到，因?yàn)樗拇嬖谛枰~外的能量。微軟的拓?fù)鋵?dǎo)體則不同：在這里，一對(duì) MZM 之間共享一個(gè)未配對(duì)的電子，使其對(duì)環(huán)境不可見(jiàn)。這種獨(dú)特的特性可以保護(hù)量子信息。

讀取拓?fù)淞孔颖忍氐臓顟B(tài)。

上圖展示了微軟應(yīng)對(duì)這種測(cè)量難題的方法：

• 使用數(shù)字開(kāi)關(guān)將納米線的兩端耦合到量子點(diǎn)，量子點(diǎn)是一種可以存儲(chǔ)電荷的微型半導(dǎo)體器件。
• 這種連接增加了點(diǎn)保持電荷的能力。至關(guān)重要的是，確切的增加量取決于納米線的奇偶性。
• 使用微波測(cè)量這種變化。這些點(diǎn)保持電荷的能力決定了微波從量子點(diǎn)反射的方式。因此，它們會(huì)帶著納米線量子態(tài)的印記返回。

通過(guò)設(shè)計(jì)，微軟讓這些變化變得足夠大，從而一次測(cè)量就能得到可靠的結(jié)果。微軟表示，目前初始的測(cè)量錯(cuò)誤概率為 1%，但他們已經(jīng)確定了可以大幅降低錯(cuò)誤概率的路徑。

這種讀出技術(shù)使量子計(jì)算的方法從根本上發(fā)生了變化，即可使用測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算。

傳統(tǒng)量子計(jì)算是以精確的角度旋轉(zhuǎn)量子態(tài)，需要為每個(gè)量子比特定制復(fù)雜的模擬控制信號(hào)。這會(huì)使量子誤差校正 （QEC）變得復(fù)雜，因?yàn)榱孔诱`差校正必須依靠這些相同的敏感操作來(lái)檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤。

微軟新提出的基于測(cè)量的方法可以極大地簡(jiǎn)化 QEC—— 可完全通過(guò)由連接和斷開(kāi)量子點(diǎn)與納米線的簡(jiǎn)單數(shù)字脈沖激活的測(cè)量來(lái)執(zhí)行誤差校正。這種數(shù)字控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)大量量子比特的管理，從而為實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

從物理學(xué)到工程開(kāi)發(fā)

接下來(lái)看看微軟是怎么將上面介紹的物理可能性變成工程實(shí)踐的。

前面已經(jīng)提到，微軟量子計(jì)算的核心構(gòu)建模塊是 MZM 編碼、拓?fù)浔Ｗo(hù)、通過(guò)測(cè)量進(jìn)行處理的量子信息。

接下來(lái)，就需要基于單量子比特設(shè)備（稱為 tetron）制造一個(gè)可擴(kuò)展的架構(gòu)，如下圖所示。這個(gè)量子比特的一個(gè)基本操作是測(cè)量 tetron 中的一個(gè)拓?fù)浼{米線的奇偶性。

使用 tetron 實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算的路線圖。第一幅圖展示了一個(gè)單量子比特設(shè)備。tetron 由兩條平行的拓?fù)渚€（藍(lán)色）組成，兩端各有一個(gè) MZM（橙色點(diǎn)），由垂直的普通超導(dǎo)線（淺藍(lán)色）連接。下一幅圖展示了一個(gè)支持基于測(cè)量的 braiding 變換的雙量子比特設(shè)備。第三幅圖展示了一個(gè) 4×2 tetron 陣列，支持在兩個(gè)邏輯量子比特上進(jìn)行量子誤差檢測(cè)演示。這些演示預(yù)示著向量子誤差校正方向的進(jìn)展是可行，例如右圖所示的設(shè)備（27×13 tetron 陣列）。

另一項(xiàng)關(guān)鍵操作是將量子比特置于奇偶性疊加態(tài)中。這也是通過(guò)對(duì)量子點(diǎn)進(jìn)行微波反射測(cè)量來(lái)執(zhí)行的，但測(cè)量配置不同：將第一個(gè)量子點(diǎn)與納米線分離，并將另一個(gè)點(diǎn)連接到設(shè)備一端的兩條納米線上。通過(guò)執(zhí)行這兩個(gè)正交的泡利測(cè)量 Z 和 X，這里演示了基于測(cè)量的控制。微軟表示這是開(kāi)啟其路線圖下一步的關(guān)鍵里程碑。

微軟表示：「我們的路線圖正系統(tǒng)地朝著可擴(kuò)展 QEC 邁進(jìn)。下一步將使用 4×2 四元組陣列。我們將首先使用兩個(gè)量子比特子集來(lái)演示糾纏和基于測(cè)量的 braiding 變換。然后，我們將使用整個(gè)八量子比特陣列在兩個(gè)邏輯量子比特上實(shí)現(xiàn)量子錯(cuò)誤檢測(cè)。」

拓?fù)淞孔颖忍氐膬?nèi)置錯(cuò)誤保護(hù)簡(jiǎn)化了 QEC。此外，與之前最先進(jìn)的方法相比，微軟的自定義 QEC 代碼可將開(kāi)銷減少大約十倍。這種大幅減少意味著其可擴(kuò)展系統(tǒng)可以用更少的物理量子比特進(jìn)行構(gòu)建，并有可能以更快的時(shí)鐘速度運(yùn)行。

微軟表示，在很多科研領(lǐng)域上，當(dāng)今最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)也無(wú)法完成的任務(wù)可以被百萬(wàn)量子比特規(guī)模上的量子計(jì)算解決，比如能修復(fù)橋梁裂縫的自愈材料、可持續(xù)農(nóng)業(yè)以及更安全的化學(xué)材料探索。如今需要花費(fèi)數(shù)十億美元進(jìn)行詳盡的實(shí)驗(yàn)搜索和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，未來(lái)可能通過(guò)量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算和模擬來(lái)快速找到。

值得一提的是，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）現(xiàn)已選擇微軟作為兩家公司之一，進(jìn)入其「實(shí)用規(guī)模量子計(jì)算的未探索系統(tǒng)（US2QC）」項(xiàng)目的最后階段。微軟現(xiàn)在將「在幾年內(nèi)」建造一臺(tái)基于拓?fù)淞孔颖忍氐娜蒎e(cuò)原型量子計(jì)算機(jī)。

百萬(wàn)量子比特的量子計(jì)算機(jī)不僅僅會(huì)是一個(gè)里程碑，也將成為解決人類前沿研究最困難問(wèn)題的門戶。微軟認(rèn)為，在基礎(chǔ)技術(shù)得到驗(yàn)證后，通往實(shí)用量子計(jì)算的道路已經(jīng)變得清晰。