共计 4116 个字符，预计需要花费 11 分钟才能阅读完成。
微软的 Majorana 1 量子芯片引入了突破性的拓扑核心，实现了稳定且可扩展的量子比特。通过利用拓扑导体，这一创新为能够解决复杂科学和工业问题的百万量子比特机器铺平了道路。在 DARPA 的支持和数字控制技术的进步下，微软正在将量子计算从理论变为现实。
微软发布了 Majorana 1，这是首款采用拓扑核心架构的量子芯片。这一突破使量子计算机能够在几年内而非几十年内解决大规模的实际问题。
这一创新的核心是拓扑导体，这是一种设计用于观察和控制 Majorana 粒子的新型材料。通过这种方式，它能够创建更稳定且可扩展的量子比特，这是量子计算的基本构建块。
正如半导体彻底改变了现代电子学一样，拓扑导体可能会彻底改变量子计算。微软表示，这项技术为能够扩展到一百万量子比特的量子系统打开了大门，可能解决一些最复杂的工业和科学挑战。
微软技术研究员 Chetan Nayak 表示：“我们退后一步说，‘好吧，让我们为量子时代发明晶体管。它需要具备哪些特性？’这就是我们如何走到这里的——正是我们新材料堆栈中的特定组合、质量和重要细节，使我们能够开发出一种新型量子比特，并最终实现我们的整个架构。”
微软表示，用于开发 Majorana 1 处理器的新架构为在单芯片上容纳一百万量子比特提供了一条清晰的路径，该芯片可以轻松握在手中。这是量子计算机提供变革性实际解决方案所需的关键门槛——例如将微塑料分解为无害的副产品，或发明用于建筑、制造或医疗保健的自修复材料。目前全球所有计算机加在一起也无法完成一台百万量子比特量子计算机所能完成的任务。
“在量子领域所做的任何事情都需要有一条通向百万量子比特的路径。如果没有，你将在达到能够解决真正重要问题的规模之前遇到瓶颈，”Nayak 说。“我们实际上已经找到了一条通向百万量子比特的路径。”
拓扑导体，或称拓扑超导体，是一种特殊类别的材料，能够创造一种全新的物质状态——不是固体、液体或气体，而是一种拓扑状态。利用这种状态可以产生更稳定的量子比特，这种量子比特速度快、体积小，并且可以数字控制，而无需当前替代方案所需的权衡。周三发表在《自然》杂志上的一篇新论文概述了微软研究人员如何能够创建拓扑量子比特的奇特量子特性，并准确测量它们，这是实用计算的关键步骤。
这一突破需要开发一种全新的材料堆栈，由砷化铟和铝制成，其中大部分是微软逐原子设计和制造的。微软表示，目标是诱导名为 Majorana 的新量子粒子出现，并利用它们的独特特性达到量子计算的下一个里程碑。
为 Majorana 1 提供动力的全球首个拓扑核心在设计上具有可靠性，在硬件层面集成了抗错误能力，使其更加稳定。
商业上重要的应用还需要在一百万量子比特上进行数万亿次操作，这在当前依赖于每个量子比特精细模拟控制的方法下是不可行的。微软团队的新测量方法使量子比特能够通过数字控制，重新定义并大大简化了量子计算的工作方式。
这一进展验证了微软多年前选择追求拓扑量子比特设计的决定——这是一个高风险、高回报的科学和工程挑战，如今正在取得回报。目前，微软已经在一块芯片上放置了八个拓扑量子比特，并设计为可扩展到一百万量子比特。
“从一开始，我们就希望制造一台具有商业影响力的量子计算机，而不仅仅是思想领导力，”微软技术研究员 Matthias Troyer 表示。“我们知道我们需要一种新的量子比特。我们知道我们必须扩展。”
这一方法使美国国防高级研究计划局（DARPA）将微软纳入一个严格的计划，以评估创新的量子计算技术是否能够比传统认为更快地构建具有商业相关性的量子系统。DARPA 是一个投资于对国家安全至关重要的突破性技术的联邦机构。
微软现在是受邀进入 DARPA“未探索系统实用规模量子计算”（US2QC）计划最后阶段的两家公司之一——这是 DARPA 更大的量子基准计划的一部分，旨在交付业界首台实用规模的容错量子计算机，或其计算价值超过成本的计算机。
除了制造自己的量子硬件外，微软还与 Quantinuum 和 Atom Computing 合作，利用当前的量子比特取得科学和工程突破，包括去年宣布的业界首台可靠的量子计算机。
这些类型的机器为开发量子技能、构建混合应用程序和推动新发现提供了重要机会，特别是在人工智能与由更多可靠量子比特驱动的新量子系统相结合的情况下。如今，Azure Quantum 提供了一套集成解决方案，使客户能够利用 Azure 中领先的人工智能、高性能计算和量子平台来推动科学发现。
但要达到量子计算的下一个里程碑，需要一种能够提供一百万或更多量子比特并达到数万亿次快速可靠操作的量子架构。微软表示，今天的宣布使这一里程碑在几年内而非几十年内实现。
因为它们可以利用量子力学以惊人的精度数学映射自然行为——从化学反应到分子相互作用和酶能量——百万量子比特机器应该能够解决化学、材料科学和其他行业中某些类型的问题，这些问题对于当今的经典计算机来说是无法准确计算的。
- 例如，它们可以帮助解决材料腐蚀或开裂的复杂化学问题。这可能导致自修复材料的发明，修复桥梁或飞机部件中的裂缝、破碎的手机屏幕或划伤的汽车门。
- 由于塑料种类繁多，目前不可能找到一种万能催化剂来分解它们——尤其是对于清理微塑料或应对碳污染来说非常重要。量子计算可以计算这种催化剂的特性，将污染物分解为有价值的副产品，或者首先开发无毒替代品。
- 酶，一种生物催化剂，可以更有效地用于医疗保健和农业，这要归功于只有量子计算才能提供的关于它们行为的准确计算。这可能导致有助于消除全球饥饿的突破：提高土壤肥力以增加产量，或促进在恶劣气候下可持续种植粮食。
最重要的是，量子计算可以让工程师、科学家、公司和其他人第一次就设计出正确的东西——这对于从医疗保健到产品开发的各个方面都具有变革性。量子计算的力量与人工智能工具相结合，将允许某人用简单的语言描述他们想要创建的新材料或分子，并立即得到一个可行的答案——无需猜测或多年的试错。
“任何制造东西的公司都可以第一次就完美地设计它。它会直接给你答案，”Troyer 说。“量子计算机教给人工智能自然的语言，这样人工智能就可以直接告诉你制作你想要的东西的配方。”
量子世界按照量子力学的规律运行，这些规律与支配我们所见世界的物理规律不同。这些粒子被称为量子比特，或量子位，类似于计算机现在使用的比特，即 1 和 0。
量子比特非常敏感，极易受到来自环境的扰动和错误的影响，这会导致它们崩溃和信息丢失。它们的状态也会受到测量的影响——这是一个问题，因为测量对于计算至关重要。一个固有的挑战是开发一种可以被测量和控制的量子比特，同时提供免受环境噪声干扰的保护，这些噪声会破坏它们。
量子比特可以通过不同的方式创建，每种方式都有其优缺点。近 20 年前，微软决定追求一种独特的方法：开发拓扑量子比特，认为这将提供更稳定的量子比特，需要更少的纠错，从而释放速度、尺寸和可控性的优势。这一方法提出了陡峭的学习曲线，需要未探索的科学和工程突破，但也是创建能够进行商业价值工作的可扩展和可控量子比特的最有希望的途径。
缺点是——或者说曾经是——直到最近，微软试图使用的名为 Majorana 的奇特粒子从未被看到或制造出来。它们不存在于自然界中，只能通过磁场和超导体诱导出现。开发正确的材料来创建这些奇特粒子及其相关的拓扑物质状态的困难，是为什么大多数量子努力都集中在其他类型的量子比特上。
《自然》论文标志着同行评审的确认，微软不仅能够创建 Majorana 粒子，这些粒子有助于保护量子信息免受随机干扰，而且还可以使用微波可靠地测量这些信息。
Majorana 隐藏量子信息，使其更加稳健，但也更难测量。微软团队的新测量方法非常精确，可以检测超导导线中十亿个电子和十亿零一个电子之间的差异——这告诉计算机量子比特处于什么状态，并形成量子计算的基础。
这些测量可以通过电压脉冲打开和关闭，就像打开和关闭电灯开关一样，而不是为每个单独的量子比特微调拨号盘。这种更简单的测量方法实现了数字控制，简化了量子计算过程和构建可扩展机器的物理要求。
微软的拓扑量子比特在其他量子比特上也有优势，因为它的尺寸。即使对于这么小的东西，也有一个“金发姑娘”区域，太小的量子比特很难运行控制线，但太大的量子比特需要一台巨大的机器，Troyer 说。为这些类型的量子比特添加个性化控制技术将需要建造一台不切实际的计算机，其大小相当于飞机库或足球场。
Majorana 1 是微软的量子芯片，包含量子比特以及周围的控制电子设备，可以握在手中，并整齐地放入可以轻松部署在 Azure 数据中心内的量子计算机中。
“发现一种新的物质状态是一回事，”Nayak 说。“利用它来重新思考大规模量子计算是另一回事。”
微软的拓扑量子比特架构由铝纳米线连接在一起形成 H 形。每个 H 有四个可控的 Majorana，并构成一个量子比特。这些 H 也可以连接，并像许多瓷砖一样布局在芯片上。
“复杂之处在于我们必须展示一种新的物质状态才能达到这一目标，但在此之后，它就相当简单了。它像瓷砖一样铺开。你有了这种更简单的架构，承诺了一条更快的扩展路径，”微软技术研究员 Krysta Svore 说。
量子芯片并不是单独工作的。它存在于一个生态系统中，包括控制逻辑、将量子比特保持在比外太空更低温的稀释冰箱，以及可以与人工智能和经典计算机集成的软件堆栈。所有这些部分都存在，完全在内部构建或修改，她说。
需要明确的是，继续完善这些过程并使所有元素在加速的规模上协同工作，将需要更多年的工程工作。但微软表示，许多困难的科学和工程挑战已经得到解决。
Svore 补充说，将材料堆栈正确组合以产生拓扑物质状态是最困难的部分之一。与硅不同，微软的拓扑导体由砷化铟制成，这种材料目前用于红外探测器等应用，并具有特殊性能。在极冷的条件下，半导体与超导性结合，形成一种混合材料。
“我们实际上是逐原子喷涂的。这些材料必须完美排列。如果材料堆栈中有太多缺陷，它就会杀死你的量子比特，”Svore 说。
“讽刺的是，这也是为什么我们需要一台量子计算机——因为理解这些材料非常困难。有了扩展的量子计算机，我们将能够预测具有更好性能的材料，以构建超越规模的下一代量子计算机，”她说。
