微軟20年精煉，全球首個拓撲量子晶片出爐！巴掌大晶片碾壓全球超算

【新智元導讀】就在剛剛，微軟全球首個拓撲架構量子晶片Majorana 1橫空出世，一枚晶片將整合百萬量子位元，勝過地球上全部超算，從此，物質有了第四種形態，量子電腦可能會在幾年內實現！微軟苦研20年的成果，從此將徹底改變世界。

物質有三態，固液氣。但從今天起，物理學教科書要徹底被改寫了！

凌晨，微軟團隊重磅發佈全球首個基於拓撲架構的量子晶片——Majorana 1。

這塊巴掌大的晶片，未來將容納一百萬個量子位元。

它不僅僅是一塊晶片，更是一種超越固態、液態、氣態的全新物質形態，標誌著量子計算邁入一個全新的時代。

最新研究已於19日發表在了頂刊Nature上。

與傳統量子計算相比，Majorana 1具有更高容錯能力、更強的抗干擾性，可以在複雜環境中運行。

拓撲導體製造的量子位元，更快速、更可靠、更小尺寸的優勢，每個量子位元尺寸僅為0.01mm。

這意味著，未來就可以輕易打造出擁有100萬個量子位元的處理器。

納德拉表示，「一塊可以輕鬆握在掌心的晶片，能夠解決當今地球上所有超級計算都無法突破的難題」。

就比如，分解塑料、設計自我修復的材料、藥物發現等等化學、生命科學、生物學中的問題，未來都能被攻克。

更值得一提的是，開發出全新的拓撲量子位元，是微軟團隊近20年磨一劍的成果。

上個月，老黃曾預言量子計算還有20年才能實用，如今這一觀點要被顛覆了。

Majorana 1橫空出世，意味著人類能夠在幾年內，而不是幾十年後，打造出具有現實意義的量子電腦。

納德拉激動表示：這不是在炒作技術，而是在創造真正能服務於世界的科技。

就連馬斯克也激動轉發，量子計算的突破越來越多！

網友驚呼，原來物質世界還有另一種狀態。

量子時代，需要全新「電晶體」

Majorana 1量子晶片，是全球首款採用新型「拓撲計算核心」（Topological Core）架構的量子晶片（QPU）。

它採用了全球首創的「拓撲導體」。

拓撲導體（也稱拓撲超導體）是一種特殊類別的材料，能夠創造出全新的物質狀態——這既不是固態、液態或氣態，而是拓撲量子態。

這種突破性材料，能夠觀察和控制馬約拉納粒子（Majorana particles），從而製造出更可靠、更具擴展性的量子位元——量子電腦的基本建構單元。

研究人員利用這一特性，能夠產生更穩定的量子位元。

這種量子位元不僅運算速度快、微型化、數位化可控，而且無需像現有方案那樣作出巨大的取捨。

正如半導體的發明，使當今的智慧型手機、電腦和電子裝置成為可能一樣，拓撲導體加持的新型量子晶片，將會開闢全新的應用途徑。

量子時代，需要全新的電晶體。

用於開發Majorana 1量子晶片的這種新架構，為在一個可以放入手掌的單個晶片上整合百萬量子位元提供了明確的技術路徑。

需要明確的是，微軟已經在一枚可擴展至百萬量子位元規模的晶片上，成功整合了8個拓撲量子位元。

100萬量子位元，是量子電腦實現變革性實際應用所需的關鍵閾值。

比如，將微塑料分解為無害的副產品，或者發明應用於建築、製造或醫療保健領域的自修復材料。

即便將當今世界上所有電腦的算力集中在一起，也無法完成未來一台百萬量子位元電腦所能完成的任務。

也就是說，這一系統擴展至百萬量子位元規模後，在解決最複雜的工業和社會問題上，也可以得心應手。

微軟預計，這一突破將使量子電腦能在未來幾年內，而非幾十年後，解決具有實際意義的工業級問題。

要知道，商業上重要的應用需要數兆噸的操作，此前依賴每個量子微調模擬控制的方法，幾乎不可能完成。但如今，不可能已經變為可能。

目前，微軟內部正在建構世界首個基於拓撲量子位元的容錯原型機（FTP），計畫將在未來幾年內問世。它也是美國DARPA「實用規模量子計算未充分探索系統」（US2QC）項目最後階段的一部分。

搭載在Majorana 1上的全球首個拓撲計算核心的可靠性與生俱來，這是因為它在硬體層面上整合了容錯能力，因而穩定性更高。

20多年前，微軟決定攻克拓撲量子位元設計這個項目，充滿挑戰，但潛力巨大。

他們採取的這種獨特方法，面臨著陡峭的學習曲線，需要前所未有的科學和工程突破。然而，也只有這種方法，是通往可擴展、可控量子位元最有希望的道路。

今日的重大進展證明，微軟多年前的戰略選擇沒有錯！

拓撲導體，量子計算新基石

世界首個拓撲導體，一種此前僅存在於理論中的新物質狀態，如何打造的？

據介紹，一種由砷化銦（一種半導體）和鋁（一種超導體）構成的全新的材料體系，即柵控器件（gate-defined devices），才得以實現。

其中大部分材料，都是由微軟通過逐個「原子級精度」設計和製造。

當冷卻到接近絕對零度並通過磁場調節時，這些器件形成拓撲超導納米線，在納米線的兩端具有「馬約拉納零模」（Majorana Zero Modes，簡稱MZMs）。

接下來的研究目標是，誘導一種稱為馬約拉納（Majorana）的新型量子粒子產生。

近一個世紀以來，這些准粒子僅存在於教科書中。現在，人類可以在拓撲導體中按需建立、控制它們。

MZMs是量子位元的基本建構塊，通過「宇稱」（parity），即納米線中包含偶數還是奇數個電子來儲存量子資訊。

在傳統超導體中，電子結合成庫珀對（Cooper pair）並無阻力地移動。任何未配對的電子都可以被檢測到，因為它的存在需要額外的能量。

而拓撲導體則不同：在這裡，一個未配對的電子在一對MZMs之間共享，使其對環境不可見。

正是這種獨特的特性，保護了量子資訊。

雖然這使拓撲導體成為量子位元的理想候選者，但也帶來了一個挑戰：我們如何讀取被如此好地隱藏起來的量子資訊？

我們如何區分，比如說，1,000,000,000和1,000,000,001個電子？

解決這個測量挑戰的方案如下：

• 使用數字開關將納米線的兩端連接到量子點。
• 這種連接增加了量子點儲存電荷的能力。關鍵是，具體增加多少取決於納米線的「宇稱」狀態。
• 使用微波來測量這種變化。量子點儲存電荷的能力決定了微波如何從量子點反射。因此，返回的微波攜帶著納米線量子態的印記。

實驗結果顯示，微軟設計的新器件使這些變化足夠大，可以在單次讀取中可靠地測量，並且展現出令人印象深刻的穩定性。

目前，初始測量的錯誤率為1%，但微軟表示，已經找到了顯著降低這一比率的明確途徑。

外部能量（如電磁輻射）可能會打斷「庫珀對」，產生未配對電子，這可能使量子位元的狀態從偶數「宇稱」翻轉到奇數「宇稱」。

然而，最新結果表明這種情況很少發生，平均每毫秒只發生一次。

這表明包裹處理器的遮蔽層能有效地阻擋這種輻射嗎，目前，微軟正在探索進一步降低這種情況發生頻率的方法。

超精確讀出技術，數位化可控

如果希望應用更有商業價值，就需要在百萬量子位元上執行兆量級的運算，但現有的方法都是依賴於對每個量子位元進行精細的模擬控制，因而難以實現。

但現在有了微軟的新方法，就可以直接實現量子位元的數位化控制了！

這就從根本上重新定義了量子計算的運作方式，而且將其極大簡化。

這種讀出技術實現了一種從根本上不同的量子計算方法，即利用測量來執行計算。

傳統量子計算需要通過精確角度旋轉量子態，這就要求為每個量子位元定製複雜的模擬控制訊號。這使量子糾錯（QEC）變得複雜，因為它必須依賴這些相同的敏感操作來檢測和糾正錯誤。

而微軟基於測量的方法大大簡化了量子糾錯。

通過測量來執行錯誤糾正，這些測量由簡單的數字脈衝啟動，用於連接和斷開量子點與納米線的連接。這種數字控制方式使管理實際應用所需的大量量子位元變得切實可行。

從物理學到工程學

現在，核心建構模組已經得到證實——量子資訊編碼在MZMs中，受拓撲保護，並通過測量進行處理。

現在，微軟已準備好從物理突破，走向實際應用。

下一步是，將圍繞一個稱為四端子量子位元（tetron）的單量子位元器件建構可擴展架構（見圖2）。

其中一個基本操作——測量tetron中一個拓撲納米線的宇稱。另一個關鍵操作是使量子位元處於「宇稱態」的疊加態。

後者同樣是通過量子點的微波反射測量來實現的，但在不同的測量組態中，微軟將第一個量子點從納米線解耦，並在器件一端將不同的量子點連接到兩條納米線。

通過執行這兩個正交的泡利測量（Pauli measurements，Z和X），他們已經證明了基於測量的控制——這是一個關鍵里程碑，為路線圖上的下一步鋪平了道路。

微軟路線圖現在系統地指向可擴展的量子糾錯，下一步將涉及4×2 tetron陣列。

團隊首先將使用兩個量子位元子集來演示量子糾纏和基於測量的編織變換（braiding transformations）。隨後，使用全部八個量子位元陣列，再對兩個邏輯量子位元實施量子錯誤檢測。

拓撲量子位元的內建錯誤保護簡化了量子糾錯。

此外，與之前最先進的方法相比，微軟的定製量子糾錯碼（QEC codes）將開銷降低了約十倍。

這種顯著的減少意味著，可擴展系統不僅可以用更少的物理量子位元建構，而且有潛力實現更高的時脈頻率。

開啟量子計算的無限可能

一年半前，微軟制定了實現量子超級電腦的路線圖。

而今天，他們達到了第二個重要里程碑，成功展示了世界上第一個拓撲量子位元。

不僅如此，微軟已經在一個可容納百萬量子位元的晶片設計中，成功整合了八個拓撲量子位元。

可以說，一台百萬量子位元的量子電腦不僅僅是一個里程碑——它更是解決世界上一些最棘手問題的關鍵。

• 量子計算可以幫助破解材料腐蝕或開裂的複雜化學機理。這一突破可能催生出能夠自動修復橋樑構件、飛機零件、碎裂手機螢幕甚至汽車劃痕的智能材料。
• 由於塑料種類繁多，目前還無法找到一種通用的催化劑來分解各類塑料，這對於治理微塑料污染和應對碳排放尤為重要。量子計算有望通過精確計算催化劑特性，既可以將污染物轉化為有價值的副產品，也可以從源頭開發無毒替代材料。
• 通過量子計算提供的精確計算能力，人類可以更有效地利用酶在醫療衛生和農業領域的應用。這可能帶來消除全球飢餓的重大突破：提升土壤肥力以增加農作物產量，或促進作物在惡劣氣候條件下的可持續生長。

更令人激動的是，量子計算可以讓工程師、科學家簡單地設計一切，從醫療保健到產品開發。

當量子計算的力量與AI相結合，人們就可以通過語言建立新材料或分子，直接得到答案，無需猜測或實驗。

即使最強大的超算，也無法精準預測些決定未來關鍵材料性質的量子過程。

但如今，我們有望迎來革命性創新，或許人類即將發現能修復橋樑裂縫的自修復材料、可持續農業技術，以及更安全的化學物質發現方法。

現在許多需要投入巨額資金的實驗研究，很可能用量子電腦就能直接獲得結果。

總之，通往實用量子計算的道路已經清晰可見。 (新智元)