手掌大小芯片碾壓全球算力！微軟量子計(jì)算突破，構(gòu)建全新物質(zhì)狀態(tài)

白交 2025-02-20 13:23:39 來(lái)源：量子位

白交 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

想象一下，一個(gè)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(lái)都無(wú)法解決的問(wèn)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(chēng)，有望在數(shù)年內(nèi)實(shí)現(xiàn)能夠解決工業(yè)級(jí)別規(guī)模問(wèn)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(wàn)個(gè)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(guò)很快，遭到了物理學(xué)家們的質(zhì)疑——

這一進(jìn)展沒(méi)有任何技術(shù)細(xì)節(jié)，其N(xiāo)ature雜志上發(fā)表的也只是中間結(jié)果，并沒(méi)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(wàn)量子比特成為現(xiàn)實(shí)

此次微軟新突破的發(fā)布，可以說(shuō)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(xiàn)圖。

連納德拉更是撰寫(xiě)長(zhǎng)文介紹：經(jīng)過(guò)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(shuō)這次研究，得從「拓?fù)涑瑢?dǎo)體」這一種特殊材料開(kāi)始說(shuō)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(wú)需像目前的替代方案那樣進(jìn)行權(quán)衡。

這需要開(kāi)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(gè)原子設(shè)計(jì)和制造的。Nature其實(shí)就是報(bào)道了這一過(guò)程。

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(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)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(guò) “奇偶性 ”存儲(chǔ)量子信息—即導(dǎo)線(xiàn)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(kù)珀對(duì)，移動(dòng)時(shí)沒(méi)有阻力。任何未成對(duì)的電子都能被探測(cè)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(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。

拓?fù)涑瑢?dǎo)體也就成為量子比特的理想選擇，但也帶來(lái)了一個(gè)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(kāi)關(guān)將納米線(xiàn)的兩端與量子點(diǎn)耦合，量子點(diǎn)是一種可以存儲(chǔ)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(xiàn)的奇偶性。
• 使用微波來(lái)測(cè)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(huì)攜帶納米線(xiàn)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(cè)量。最初的測(cè)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(huì)破壞庫(kù)珀對(duì)，產(chǎn)生非配對(duì)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(gè)量子位定制復(fù)雜的模擬控制信號(hào)。這使量子糾錯(cuò) (QEC) 變得復(fù)雜，因?yàn)榱孔蛹m錯(cuò)必須依靠這些同樣敏感的操作來(lái)檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤。

但他們這種以數(shù)字測(cè)量的方式大大簡(jiǎn)化了QEC——可以完全通過(guò)由連接和斷開(kāi)量子點(diǎn)與納米線(xiàn)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(xiàn)圖。

• 第一幅圖展示了一個(gè)單量子比特設(shè)備。四元組由兩條平行拓?fù)渚€(xiàn)（藍(lán)色）組成，兩端各有一個(gè)MZM（橙色點(diǎn)），由垂直平凡超導(dǎo)導(dǎo)線(xiàn)（淺藍(lán)色）連接。
• 第二幅圖展示了一個(gè)支持基于測(cè)量的編織變換的雙量子比特設(shè)備。
• 第三幅圖展示了一個(gè)4×2四元組陣列，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。

按照這一路線(xiàn)圖，接下來(lái)他們有兩個(gè)方面的計(jì)劃：

圍繞單量子比特設(shè)備（稱(chēng)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(shuō)法，十八個(gè)月前，他們制定了量子超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展路線(xiàn)圖，完成了首個(gè)里程碑。

今天，他們完成了第二個(gè)里程碑——

展示了世界上第一個(gè)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(wàn)個(gè)量子比特的芯片上放置了八個(gè)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(jiàn)成效。

但有物理學(xué)家質(zhì)疑

不過(guò)微軟宣稱(chēng)的這一核彈級(jí)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(lái)相當(dāng)不錯(cuò)。

從實(shí)驗(yàn)中無(wú)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(méi)有道理，畢竟微軟此前也遇到過(guò)類(lèi)似的事情。

早在2018年，來(lái)自微軟荷蘭實(shí)驗(yàn)室的工作人員宣稱(chēng)，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(kāi)始了相關(guān)探索，并邀請(qǐng)了這個(gè)領(lǐng)域的大牛Leo Kouwenhoven作為操盤(pán)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(dòng)，不過(guò)被科學(xué)家質(zhì)疑「無(wú)法復(fù)現(xiàn)」。

有科學(xué)家指出，他們獲得的原始測(cè)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(qǐng)了撤稿。

現(xiàn)在微軟再次面臨著類(lèi)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(huì)兒~

參考鏈接：
[1]https://x.com/satyanadella/status/1892242895094313420
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2
[3]https://www.nature.com/articles/d41586-025-00527-z
[4]https://azure.microsoft.com/en-us/blog/quantum/2025/02/19/microsoft-unveils-majorana-1-the-worlds-first-quantum-processor-powered-by-topological-qubits/
[5]https://azure.microsoft.com/en-us/blog/quantum/2023/06/21/microsoft-achieves-first-milestone-towards-a-quantum-supercomputer/
[6]https://arxiv.org/abs/2502.12252

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