今天凌晨，微軟發(fā)布了全球首個(gè)基于拓?fù)浼軜?gòu)的量子芯片Majorana 1，這是一種超越固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的全新物質(zhì)，徹底改變量子計(jì)算半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。

Majorana 1與其他量子計(jì)算相比，具有更高的潛在容錯(cuò)能力和抗環(huán)境噪聲干擾的特性，只有巴掌大小卻有望集成一百萬(wàn)個(gè)量子比特，為開(kāi)發(fā)超大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)鋪平了道路，同時(shí)為商業(yè)化應(yīng)用提供了清晰路徑。

值得一提的是，微軟在大約20年前就做出了開(kāi)發(fā)拓?fù)淞孔颖忍氐臎Q定，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的研究和等待，今天終于實(shí)現(xiàn)了。

Majorana 1介紹

微軟CEO Satya Nadella還特意發(fā)布長(zhǎng)文解讀了這款重大技術(shù)突破的量子芯片，以下是他發(fā)布的原文：

我們大多數(shù)人在成長(zhǎng)過(guò)程中所學(xué)的是，物質(zhì)主要分為三種重要形態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。如今，這一認(rèn)知被改變了。

經(jīng)過(guò)近 20 年的不懈探索，我們創(chuàng)造出了一種全新的物質(zhì)形態(tài)，它由一類(lèi)新型材料——拓?fù)涑瑢?dǎo)體解鎖，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算領(lǐng)域的根本性飛躍。

這種全新物質(zhì)形態(tài)為Majorana 1提供動(dòng)力，它是首款基于拓?fù)浜诵臉?gòu)建的量子處理單元。

我們相信，這一突破將使我們能夠在幾年內(nèi)就打造出一臺(tái)真正意義非凡的量子計(jì)算機(jī)，而不是像有些人預(yù)測(cè)的那樣需要幾十年。

利用拓?fù)涑瑢?dǎo)體制造的量子比特速度更快、更可靠，且尺寸更小。它們只有 0.01 毫米，這意味著我們?nèi)缃裼辛艘粭l清晰的道路，有望制造出擁有一百萬(wàn)個(gè)量子比特的處理器。

想象一下，一塊能放在掌心的芯片，卻能解決即使當(dāng)今地球上所有計(jì)算機(jī)加起來(lái)都無(wú)法解決的問(wèn)題！

有時(shí)，研究人員必須花費(fèi)數(shù)十年時(shí)間鉆研，才有可能取得進(jìn)展。要在世界上產(chǎn)生重大影響，需要耐心與堅(jiān)持。我很高興在微軟我們有機(jī)會(huì)做到這一點(diǎn)。

這就是我們的關(guān)注點(diǎn)：當(dāng)生產(chǎn)力提高，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)會(huì)加快，全球各個(gè)行業(yè)、各個(gè)角落都將從中受益。這無(wú)關(guān)炒作技術(shù)，而是關(guān)乎打造真正服務(wù)于世界的技術(shù)。

Majorana 1簡(jiǎn)單介紹

Majorana 1的核心是微軟開(kāi)發(fā)的拓?fù)涑瑢?dǎo)體，這是一種能夠?qū)崿F(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)性的全新材料。這種材料通過(guò)結(jié)合銦砷化物（半導(dǎo)體）和鋁（超導(dǎo)體），在接近絕對(duì)零度的低溫下，通過(guò)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)，形成具有Majorana MZMs的拓?fù)涑瑢?dǎo)納米線(xiàn)。

這些準(zhǔn)粒子曾僅存在于理論中，現(xiàn)在，微軟能夠在拓?fù)涑瑢?dǎo)體中按需創(chuàng)建和控制它們。

拓?fù)淞孔颖忍乩肕ZMs存儲(chǔ)量子信息，通過(guò)“奇偶性”（納米線(xiàn)中電子數(shù)量的奇偶性）來(lái)編碼信息。

與傳統(tǒng)超導(dǎo)體不同，拓?fù)涑瑢?dǎo)體中的未配對(duì)電子被一對(duì)MZMs共享，使其對(duì)外界環(huán)境“隱形”，從而保護(hù)量子信息免受干擾。這種獨(dú)特的保護(hù)機(jī)制使得拓?fù)淞孔颖忍卦诜€(wěn)定性上具有顯著優(yōu)勢(shì)。

盡管拓?fù)淞孔颖忍氐牧孔有畔⒌玫搅撕芎玫谋Ｗo(hù)，但也帶來(lái)了測(cè)量的挑戰(zhàn)。微軟通過(guò)一種創(chuàng)新的測(cè)量技術(shù)解決了這一問(wèn)題，利用數(shù)字開(kāi)關(guān)將納米線(xiàn)兩端連接到一個(gè)量子點(diǎn)，一種能夠存儲(chǔ)電荷的微小半導(dǎo)體裝置，通過(guò)微波反射測(cè)量量子點(diǎn)的電荷變化，從而讀取納米線(xiàn)的量子態(tài)。

這種測(cè)量方法不僅能夠可靠地讀取量子信息，而且誤差概率極低，初始測(cè)量誤差概率僅為1%，并且有明確的路徑進(jìn)一步降低誤差。

此外，傳統(tǒng)的量子計(jì)算依賴(lài)于復(fù)雜的模擬控制信號(hào)來(lái)旋轉(zhuǎn)量子態(tài)，這使得量子糾錯(cuò)變得極為復(fù)雜。

微軟的測(cè)量技術(shù)則采用了一種全新的方法，通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)字脈沖激活量子點(diǎn)與納米線(xiàn)之間的連接，從而實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。這種數(shù)字化控制方式極大地簡(jiǎn)化了量子糾錯(cuò)過(guò)程，使得大規(guī)模量子比特的管理變得更加可行，為量子計(jì)算的大規(guī)模應(yīng)用鋪平了道路。

微軟計(jì)劃將這些基礎(chǔ)技術(shù)整合到一個(gè)可擴(kuò)展的架構(gòu)中，并設(shè)計(jì)了一種名為“tetron”的單量子比特設(shè)備，作為構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的基本單元。微軟已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中展示了四子設(shè)備的基本操作，包括測(cè)量納米線(xiàn)的奇偶性以及將量子比特置于奇偶性疊加態(tài)。這些操作的成功驗(yàn)證了測(cè)量基礎(chǔ)控制技術(shù)，為后續(xù)的量子糾錯(cuò)和大規(guī)模擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。

微軟的路線(xiàn)圖清晰地規(guī)劃了從單量子比特設(shè)備到支持量子糾錯(cuò)的多量子比特陣列的逐步發(fā)展。

計(jì)劃首先通過(guò)4×2的四子陣列展示量子糾纏和測(cè)量基礎(chǔ)編織變換，然后利用整個(gè)八量子比特陣列實(shí)現(xiàn)兩個(gè)邏輯量子比特的量子錯(cuò)誤檢測(cè)。最終目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)27×13的四子陣列，實(shí)現(xiàn)完整的量子糾錯(cuò)功能。

Majorana 1如何改變世界

除了開(kāi)發(fā)自己的量子硬件外，微軟還與Quantinuum和Atom Computing合作，利用現(xiàn)有的量子比特實(shí)現(xiàn)科學(xué)和工程突破，包括去年宣布的行業(yè)首個(gè)可靠的量子計(jì)算機(jī)。

這些機(jī)器為開(kāi)發(fā)量子技能、構(gòu)建混合應(yīng)用和推動(dòng)新發(fā)現(xiàn)提供了重要機(jī)會(huì)，尤其是當(dāng)人工智能與由更多可靠量子比特驅(qū)動(dòng)的新型量子系統(tǒng)結(jié)合時(shí)。

現(xiàn)在，Azure Quantum提供了一系列集成解決方案，允許客戶(hù)利用Azure中的領(lǐng)先人工智能、高性能計(jì)算和量子平臺(tái)來(lái)推動(dòng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的下一階段突破，需要一種能夠提供百萬(wàn)量子比特或更多，并實(shí)現(xiàn)萬(wàn)億次快速可靠操作的量子架構(gòu)。而微軟的Majorana 1加速了這一進(jìn)程，可以在幾年內(nèi)而非幾十年實(shí)現(xiàn)。

由于能夠利用量子力學(xué)以極高的精度數(shù)學(xué)映射自然行為，從化學(xué)反應(yīng)到分子相互作用和酶能量，百萬(wàn)量子比特的機(jī)器能夠解決一些特定類(lèi)型的難題，而這些是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法做到的。

例如，量子計(jì)算機(jī)可以幫助解決材料腐蝕或開(kāi)裂的難題，從而開(kāi)發(fā)出能夠修復(fù)橋梁或飛機(jī)部件裂縫、破碎手機(jī)屏幕或劃痕汽車(chē)門(mén)的自愈材料。

由于塑料種類(lèi)繁多，目前無(wú)法找到一種通用的催化劑來(lái)分解它們，尤其是對(duì)于清理微塑料或解決碳污染至關(guān)重要。量子計(jì)算可以計(jì)算這種催化劑的特性，將污染物分解為有價(jià)值的產(chǎn)品，或從一開(kāi)始就開(kāi)發(fā)出無(wú)毒的替代品。

專(zhuān)家解讀Majorana 1

此外，量子計(jì)算還可以更有效地利用生物催化劑（酶），在醫(yī)療保健和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，例如提高土壤肥力以增加產(chǎn)量，或在惡劣氣候下促進(jìn)食品的可持續(xù)生長(zhǎng)。

最重要的是，量子計(jì)算將允許工程師、科學(xué)家、公司等在第一次設(shè)計(jì)時(shí)就完美地設(shè)計(jì)出產(chǎn)品，這將對(duì)從醫(yī)療保健到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生變革性影響。量子計(jì)算機(jī)與人工智能工具的結(jié)合將允許人們用普通語(yǔ)言描述他們想要?jiǎng)?chuàng)造的新材料或分子，并直接獲得可行的答案，無(wú)需猜測(cè)或多年的試錯(cuò)。

Chetan Nayak

微軟技術(shù)研究員Chetan Nayak表示，微軟在設(shè)計(jì)Majorana 1時(shí)，相當(dāng)于為量子時(shí)代發(fā)明了“晶體管”，并確定了其所需的關(guān)鍵特性。這種新型材料堆疊的組合、質(zhì)量和細(xì)節(jié)使得新型量子比特和整個(gè)架構(gòu)成為可能。Majorana 1的架構(gòu)為在單芯片上集成百萬(wàn)量子比特提供了清晰的路徑，這種芯片可以輕松放在掌心。

目前，微軟的Majorana 1已經(jīng)獲得美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的認(rèn)可并達(dá)成協(xié)議，成為探索大規(guī)模量子計(jì)算計(jì)劃的最終階段參與者之一。并計(jì)劃在未來(lái)幾年內(nèi)構(gòu)建一個(gè)基于拓?fù)淞孔颖忍氐娜蒎e(cuò)量子計(jì)算機(jī)原型，這將是邁向?qū)嵱?、商業(yè)化量子計(jì)算的關(guān)鍵一步。