想象一下，一個放在手掌上的芯片，能解決當(dāng)今地球上所有計(jì)算機(jī)加起來都無法解決的問題。

Nature報(bào)道：量子計(jì)算，再迎新突破——

微軟推出Majorana 1，這是首款基于新型拓?fù)浜诵募軜?gòu)的量子芯片。

官方稱，有望在數(shù)年內(nèi)實(shí)現(xiàn)能夠解決工業(yè)級別規(guī)模問題的量子計(jì)算機(jī)。

這里官方還特意標(biāo)注了下：不是幾十年，而是數(shù)年。這為量子計(jì)算的大規(guī)模應(yīng)用按下了加速按鈕。

這種名為馬約拉納的新量子粒子更快更小也更可靠，因?yàn)橹挥?/100毫米，所以可以拓展至一百萬個量子比特。

納德拉特意表示：這不是炒作技術(shù)，而是打造真正服務(wù)于世界的技術(shù)。

不過很快，遭到了物理學(xué)家們的質(zhì)疑——

這一進(jìn)展沒有任何技術(shù)細(xì)節(jié)，其Nature雜志上發(fā)表的也只是中間結(jié)果，并沒有證明拓?fù)淞孔颖忍氐拇嬖凇?/p>

微軟量子計(jì)算新突破：百萬量子比特成為現(xiàn)實(shí)

此次微軟新突破的發(fā)布，可以說一攬子輸出，搞得大張旗鼓——

新聞稿有、Nature雜志有，還在arxiv上發(fā)表了可靠量子計(jì)算的量子比特路線圖。

連納德拉更是撰寫長文介紹：經(jīng)過近20年的探索，終于解鎖了拓?fù)涑瑢?dǎo)體這一全新物質(zhì)狀態(tài)。

要說這次研究，得從「拓?fù)涑瑢?dǎo)體」這一種特殊材料開始說起。

它能夠創(chuàng)造出一種全新的物質(zhì)狀態(tài)：不是固體、液體或氣體，而是拓?fù)錉顟B(tài)。利用這種狀態(tài)可以產(chǎn)生更穩(wěn)定的量子比特，這種量子比特速度快、體積小，并且可以數(shù)字控制，而無需像目前的替代方案那樣進(jìn)行權(quán)衡。

這需要開發(fā)一種由砷化銦（一種半導(dǎo)體）和鋁（一種超導(dǎo)體）組成的全新材料堆棧，其中大部分材料都是微軟逐個原子設(shè)計(jì)和制造的。Nature其實(shí)就是報(bào)道了這一過程。

當(dāng)冷卻到接近絕對零度并用磁場調(diào)節(jié)時(shí)，這些設(shè)備會形成拓?fù)涑瑢?dǎo)納米線，導(dǎo)線末端具有馬約拉納零模式 (MZM)。

MZM作為量子比特的構(gòu)建塊，通過 “奇偶性 ”存儲量子信息—即導(dǎo)線包含的電子數(shù)是偶數(shù)還是奇數(shù)。

在傳統(tǒng)超導(dǎo)體中，電子結(jié)合成庫珀對，移動時(shí)沒有阻力。任何未成對的電子都能被探測到，因?yàn)樗拇嬖谛枰~外的能量。

而拓?fù)涑瑢?dǎo)體則不同：在這里，一對 MZM 之間共享一個未配對的電子，使其對環(huán)境不可見。這種獨(dú)特的特性可以保護(hù)量子信息。

拓?fù)涑瑢?dǎo)體也就成為量子比特的理想選擇，但也帶來了一個挑戰(zhàn)：如何讀取隱藏的量子信息？

他們的解決方案如下：

• 使用數(shù)字開關(guān)將納米線的兩端與量子點(diǎn)耦合，量子點(diǎn)是一種可以存儲電荷的微小半導(dǎo)體器件。
• 這種連接提高了量子點(diǎn)的電荷保持能力。最關(guān)鍵的是，具體的增幅取決于納米線的奇偶性。
• 使用微波來測量這種變化。量子點(diǎn)的電荷容納能力決定了微波在量子點(diǎn)上的反射方式。因此，微波返回時(shí)會攜帶納米線量子態(tài)的印記。

團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)就考慮到了這些變化的幅度，因此能夠可靠地進(jìn)行單次測量。最初的測量誤差概率為 1%，而現(xiàn)在他們已經(jīng)找到了顯著降低誤差概率的明確途徑。

最終他們的系統(tǒng)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。外部能量（如電磁輻射）會破壞庫珀對，產(chǎn)生非配對電子，從而將量子比特的狀態(tài)從偶數(shù)奇偶性轉(zhuǎn)變?yōu)槠鏀?shù)奇偶性。

然而，他們的研究結(jié)果表明，這種情況很少發(fā)生，平均每毫秒只發(fā)生一次。這表明，包裹處理器的屏蔽罩能有效阻擋這種輻射。

傳統(tǒng)量子計(jì)算以精確的角度旋轉(zhuǎn)量子態(tài)，需要為每個量子位定制復(fù)雜的模擬控制信號。這使量子糾錯 (QEC) 變得復(fù)雜，因?yàn)榱孔蛹m錯必須依靠這些同樣敏感的操作來檢測和糾正錯誤。

但他們這種以數(shù)字測量的方式大大簡化了QEC——可以完全通過由連接和斷開量子點(diǎn)與納米線的簡單數(shù)字脈沖激活的測量來執(zhí)行誤差校正。這種數(shù)字控制使得管理實(shí)際應(yīng)用所需的大量量子比特變得切實(shí)可行。

基于此，他們還發(fā)布了具體的路線圖。

• 第一幅圖展示了一個單量子比特設(shè)備。四元組由兩條平行拓?fù)渚€（藍(lán)色）組成，兩端各有一個MZM（橙色點(diǎn)），由垂直平凡超導(dǎo)導(dǎo)線（淺藍(lán)色）連接。
• 第二幅圖展示了一個支持基于測量的編織變換的雙量子比特設(shè)備。
• 第三幅圖展示了一個4×2四元組陣列，支持在兩個邏輯量子比特上進(jìn)行量子誤差檢測演示。

按照這一路線圖，接下來他們有兩個方面的計(jì)劃：

圍繞單量子比特設(shè)備（稱為 Tetron）構(gòu)建可擴(kuò)展架構(gòu)；將量子比特置于奇偶校驗(yàn)態(tài)的疊加中。

按照官方說法，十八個月前，他們制定了量子超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展路線圖，完成了首個里程碑。

今天，他們完成了第二個里程碑——

展示了世界上第一個拓?fù)淞孔颖忍?/strong>。我們已經(jīng)在一塊設(shè)計(jì)為容納一百萬個量子比特的芯片上放置了八個拓?fù)淞孔颖忍亍?/p>

這一進(jìn)展驗(yàn)證了微軟多年前選擇進(jìn)行拓?fù)淞孔颖忍卦O(shè)計(jì)的決定——這是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)的科學(xué)和工程挑戰(zhàn)，現(xiàn)在已初見成效。

但有物理學(xué)家質(zhì)疑

不過微軟宣稱的這一核彈級突破，遭到了物理學(xué)家們的質(zhì)疑。

牛津大學(xué)理論物理學(xué)家Steven Simon看到成果后表示：

我敢打賭，他們看到的是他們認(rèn)為他們看到的東西嗎？不，但看起來相當(dāng)不錯。

從實(shí)驗(yàn)中無法立即確定量子比特是由拓?fù)淞孔討B(tài)構(gòu)成的。

這一質(zhì)疑并非沒有道理，畢竟微軟此前也遇到過類似的事情。

早在2018年，來自微軟荷蘭實(shí)驗(yàn)室的工作人員宣稱，他們觀察到了Majorana費(fèi)米子。

Majorana費(fèi)米子，它的反粒子也是它本身，是由埃托雷·馬約拉納于1937年提出的假設(shè)。作為解決量子比特不穩(wěn)定的理想方案之一，有應(yīng)用于拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的潛力，因此被諸多科學(xué)家和企業(yè)探索。

微軟就是其中之一，2004年就開始了相關(guān)探索，并邀請了這個領(lǐng)域的大牛Leo Kouwenhoven作為操盤手。（他于2022年離職）

當(dāng)時(shí)這一研究也登上了Nature，引發(fā)了行業(yè)轟動，不過被科學(xué)家質(zhì)疑「無法復(fù)現(xiàn)」。

有科學(xué)家指出，他們獲得的原始測量數(shù)據(jù)與論文中發(fā)表的數(shù)據(jù)之間有幾處不一致。

隨后微軟團(tuán)隊(duì)又重新分析了現(xiàn)存的所有原始數(shù)據(jù)，并重建了原始實(shí)驗(yàn)裝置，以重新校準(zhǔn)電導(dǎo)值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)并不能觀察到Majorana費(fèi)米子，于是在三年后申請了撤稿。

現(xiàn)在微軟再次面臨著類似的質(zhì)疑，不同的是此次是芯片層面的突破。

還是讓子彈再飛一會兒~