手掌大小芯片碾壓全球算力！微軟量子計算突破，構建全新物質狀態

白交 2025-02-20 13:23:39 來源：量子位

白交 發自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

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

Nature報道：量子計算，再迎新突破——

微軟推出Majorana 1，這是首款基于新型拓撲核心架構的量子芯片。

官方稱，有望在數年內實現能夠解決工業級別規模問題的量子計算機。

這里官方還特意標注了下：不是幾十年，而是數年。這為量子計算的大規模應用按下了加速按鈕。

這種名為馬約拉納的新量子粒子更快更小也更可靠，因為只有1/100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，而是打造真正服務于世界的技術。

不過很快，遭到了物理學家們的質疑——

這一進展沒有任何技術細節，其Nature雜志上發表的也只是中間結果，并沒有證明拓撲量子比特的存在。

微軟量子計算新突破：百萬量子比特成為現實

此次微軟新突破的發布，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上發表了可靠量子計算的量子比特路線圖。

連納德拉更是撰寫長文介紹：經過近20年的探索，終于解鎖了拓撲超導體這一全新物質狀態。

要說這次研究，得從「拓撲超導體」這一種特殊材料開始說起。

它能夠創造出一種全新的物質狀態：不是固體、液體或氣體，而是拓撲狀態。利用這種狀態可以產生更穩定的量子比特，這種量子比特速度快、體積小，并且可以數字控制，而無需像目前的替代方案那樣進行權衡。

這需要開發一種由砷化銦（一種半導體）和鋁（一種超導體）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計和制造的。Nature其實就是報道了這一過程。

當冷卻到接近絕對零度并用磁場調節時，這些設備會形成拓撲超導納米線，導線末端具有馬約拉納零模式 (MZM)。

MZM作為量子比特的構建塊，通過 “奇偶性 ”存儲量子信息—即導線包含的電子數是偶數還是奇數。

在傳統超導體中，電子結合成庫珀對，移動時沒有阻力。任何未成對的電子都能被探測到，因為它的存在需要額外的能量。

而拓撲超導體則不同：在這里，一對 MZM 之間共享一個未配對的電子，使其對環境不可見。這種獨特的特性可以保護量子信息。

拓撲超導體也就成為量子比特的理想選擇，但也帶來了一個挑戰：如何讀取隱藏的量子信息？

他們的解決方案如下：

• 使用數字開關將納米線的兩端與量子點耦合，量子點是一種可以存儲電荷的微小半導體器件。
• 這種連接提高了量子點的電荷保持能力。最關鍵的是，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。量子點的電荷容納能力決定了微波在量子點上的反射方式。因此，微波返回時會攜帶納米線量子態的印記。

團隊在設計設備時就考慮到了這些變化的幅度，因此能夠可靠地進行單次測量。最初的測量誤差概率為 1%，而現在他們已經找到了顯著降低誤差概率的明確途徑。

最終他們的系統具有很強的穩定性。外部能量（如電磁輻射）會破壞庫珀對，產生非配對電子，從而將量子比特的狀態從偶數奇偶性轉變為奇數奇偶性。

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

傳統量子計算以精確的角度旋轉量子態，需要為每個量子位定制復雜的模擬控制信號。這使量子糾錯 (QEC) 變得復雜，因為量子糾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與納米線的簡單數字脈沖激活的測量來執行誤差校正。這種數字控制使得管理實際應用所需的大量量子比特變得切實可行。

基于此，他們還發布了具體的路線圖。

• 第一幅圖展示了一個單量子比特設備。四元組由兩條平行拓撲線（藍色）組成，兩端各有一個MZM（橙色點），由垂直平凡超導導線（淺藍色）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劃：

圍繞單量子比特設備（稱為 Tetron）構建可擴展架構；將量子比特置于奇偶校驗態的疊加中。

按照官方說法，十八個月前，他們制定了量子超級計算機的發展路線圖，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撲量子比特。我們已經在一塊設計為容納一百萬個量子比特的芯片上放置了八個拓撲量子比特。

這一進展驗證了微軟多年前選擇進行拓撲量子比特設計的決定——這是一項高風險、高回報的科學和工程挑戰，現在已初見成效。

但有物理學家質疑

不過微軟宣稱的這一核彈級突破，遭到了物理學家們的質疑。

牛津大學理論物理學家Steven Simon看到成果后表示：

我敢打賭，他們看到的是他們認為他們看到的東西嗎？不，但看起來相當不錯。

從實驗中無法立即確定量子比特是由拓撲量子態構成的。

這一質疑并非沒有道理，畢竟微軟此前也遇到過類似的事情。

早在2018年，來自微軟荷蘭實驗室的工作人員宣稱，他們觀察到了Majorana費米子。

Majorana費米子，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。作為解決量子比特不穩定的理想方案之一，有應用于拓撲量子計算機的潛力，因此被諸多科學家和企業探索。

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

當時這一研究也登上了Nature，引發了行業轟動，不過被科學家質疑「無法復現」。

有科學家指出，他們獲得的原始測量數據與論文中發表的數據之間有幾處不一致。

隨后微軟團隊又重新分析了現存的所有原始數據，并重建了原始實驗裝置，以重新校準電導值，結果發現并不能觀察到Majorana費米子，于是在三年后申請了撤稿。

現在微軟再次面臨著類似的質疑，不同的是此次是芯片層面的突破。

還是讓子彈再飛一會兒~

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