手掌大小芯片碾压全球算力！微软量子计算核弹级突破，纳德拉：构建全新物质状态

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想象一下，一个放在手掌上的芯片，能解决当今地球上所有计算机加起来都无法解决的问题。

Nature报道：量子计算，再迎新突破——
微软推出Majorana 1，这是首款基于新型拓扑核心架构的量子芯片。

官方称，有望在数年内实现能够解决工业级别规模问题的量子计算机。
这里官方还特意标注了下：不是几十年，而是数年。这为量子计算的大规模应用按下了加速按钮。
这种名为马约拉纳的新量子粒子更快更小也更可靠，因为只有1/100毫米，所以可以拓展至一百万个量子比特。
纳德拉特意表示：这不是炒作技术，而是打造真正服务于世界的技术。
不过很快，遭到了物理学家们的质疑——
这一进展没有任何技术细节，其Nature杂志上发表的也只是中间结果，并没有证明拓扑量子比特的存在。

微软量子计算新突破：百万量子比特成为现实

此次微软新突破的发布，可以说一揽子输出，搞得大张旗鼓——
新闻稿有、Nature杂志有，还在arxiv上发表了可靠量子计算的量子比特路线图。

连纳德拉更是撰写长文介绍：经过近20年的探索，终于解锁了拓扑超导体这一全新物质状态。

要说这次研究，得从「拓扑超导体」这一种特殊材料开始说起。
它能够创造出一种全新的物质状态：不是固体、液体或气体，而是拓扑状态。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，而无需像目前的替代方案那样进行权衡。
这需要开发一种由砷化铟（一种半导体）和铝（一种超导体）组成的全新材料堆栈，其中大部分材料都是微软逐个原子设计和制造的。Nature其实就是报道了这一过程。
当冷却到接近绝对零度并用磁场调节时，这些设备会形成拓扑超导纳米线，导线末端具有马约拉纳零模式 (MZM)。

MZM作为量子比特的构建块，通过 “奇偶性 ”存储量子信息—即导线包含的电子数是偶数还是奇数。
在传统超导体中，电子结合成库珀对，移动时没有阻力。任何未成对的电子都能被探测到，因为它的存在需要额外的能量。
而拓扑超导体则不同：在这里，一对 MZM 之间共享一个未配对的电子，使其对环境不可见。这种独特的特性可以保护量子信息。
拓扑超导体也就成为量子比特的理想选择，但也带来了一个挑战：如何读取隐藏的量子信息？
他们的解决方案如下：

• 使用数字开关将纳米线的两端与量子点耦合，量子点是一种可以存储电荷的微小半导体器件。
  
• 这种连接提高了量子点的电荷保持能力。最关键的是，具体的增幅取决于纳米线的奇偶性。
  
• 使用微波来测量这种变化。量子点的电荷容纳能力决定了微波在量子点上的反射方式。因此，微波返回时会携带纳米线量子态的印记。
  

团队在设计设备时就考虑到了这些变化的幅度，因此能够可靠地进行单次测量。最初的测量误差概率为 1%，而现在他们已经找到了显著降低误差概率的明确途径。
最终他们的系统具有很强的稳定性。外部能量（如电磁辐射）会破坏库珀对，产生非配对电子，从而将量子比特的状态从偶数奇偶性转变为奇数奇偶性。
然而，他们的研究结果表明，这种情况很少发生，平均每毫秒只发生一次。这表明，包裹处理器的屏蔽罩能有效阻挡这种辐射。
传统量子计算以精确的角度旋转量子态，需要为每个量子位定制复杂的模拟控制信号。这使量子纠错 (QEC) 变得复杂，因为量子纠错必须依靠这些同样敏感的操作来检测和纠正错误。
但他们这种以数字测量的方式大大简化了QEC——可以完全通过由连接和断开量子点与纳米线的简单数字脉冲激活的测量来执行误差校正。这种数字控制使得管理实际应用所需的大量量子比特变得切实可行。
基于此，他们还发布了具体的路线图。

• 第一幅图展示了一个单量子比特设备。四元组由两条平行拓扑线（蓝色）组成，两端各有一个MZM（橙色点），由垂直平凡超导导线（浅蓝色）连接。
  
• 第二幅图展示了一个支持基于测量的编织变换的双量子比特设备。
  
• 第三幅图展示了一个4×2四元组阵列，支持在两个逻辑量子比特上进行量子误差检测演示。
  

按照这一路线图，接下来他们有两个方面的计划：

围绕单量子比特设备（称为 Tetron）构建可扩展架构；将量子比特置于奇偶校验态的叠加中。

按照官方说法，十八个月前，他们制定了量子超级计算机的发展路线图，完成了首个里程碑。

今天，他们完成了第二个里程碑——
展示了世界上第一个拓扑量子比特。我们已经在一块设计为容纳一百万个量子比特的芯片上放置了八个拓扑量子比特。
这一进展验证了微软多年前选择进行拓扑量子比特设计的决定——这是一项高风险、高回报的科学和工程挑战，现在已初见成效。
但有物理学家质疑

不过微软宣称的这一核弹级突破，遭到了物理学家们的质疑。
牛津大学理论物理学家Steven Simon看到成果后表示：

我敢打赌，他们看到的是他们认为他们看到的东西吗？不，但看起来相当不错。
从实验中无法立即确定量子比特是由拓扑量子态构成的。

这一质疑并非没有道理，毕竟微软此前也遇到过类似的事情。
早在2018年，来自微软荷兰实验室的工作人员宣称，他们观察到了Majorana费米子。
Majorana费米子，它的反粒子也是它本身，是由埃托雷·马约拉纳于1937年提出的假设。作为解决量子比特不稳定的理想方案之一，有应用于拓扑量子计算机的潜力，因此被诸多科学家和企业探索。
微软就是其中之一，2004年就开始了相关探索，并邀请了这个领域的大牛Leo Kouwenhoven作为操盘手。（他于2022年离职）
当时这一研究也登上了Nature，引发了行业轰动，不过被科学家质疑「无法复现」。

有科学家指出，他们获得的原始测量数据与论文中发表的数据之间有几处不一致。
随后微软团队又重新分析了现存的所有原始数据，并重建了原始实验装置，以重新校准电导值，结果发现并不能观察到Majorana费米子，于是在三年后申请了撤稿。

现在微软再次面临着类似的质疑，不同的是此次是芯片层面的突破。
还是让子弹再飞一会儿~