量子计算里程碑！微软单芯片可百万量子比特，Nature研究爆火

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重大突破！本周四，微软宣布造出了一款前所未有的量子计算芯片 Majorana 1，并称可以在单块芯片上让数百万量子比特协同工作，解决之前无法的解决的问题，从新药物研发到创造革命性的新材料。

微软 CEO 萨提亚・纳德拉为此专门撰写了一条长推文，短时间内就已经收获了上千万阅读量，其中提到 Majorana 1 是首款建立在拓扑核心（topological core）上的量子处理单元，而这一成就的基础是他们创造的「一种全新的物质状态」，而这又解锁了一类新材料。他们称之为 topoconductor，这里译为「拓扑导体」。
纳德拉表示，使用拓扑导体可以制造出更快、更小、更可靠的量子比特。其尺寸可小至百分之一毫米，这意味着我们可以在较小的体积内集成大量量子比特。
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纳德拉写到：「我们相信，这一突破将使我们能在几年内（而非像一些人预测的几十年）创造出一台真正有意义的量子计算机。」
基于新材料和新架构，微软已经构建了世界上首个基于拓扑量子比特的容错原型（FTP）。
以下为微软发布的宣传视频：


这一消息可说是让整个互联网都沸腾了，正如去年底谷歌宣布了量子芯片 Willow 时一样 —— 谷歌称 Willow 能在 5 分钟内完成超级计算机 10²⁵ 年才能完成的计算。
Majorana 1 是微软历时 17 年，通过持续研究量子计算新材料和架构获得的成果。微软认为，该芯片让量子计算机大规模应用成为了可能。
量子计算机的核心是量子比特，它是量子计算中的信息单位，就像当今计算机使用的二极管一样。多年来，IBM、微软、谷歌等公司一直试图让量子比特像二进制比特一样可靠，但因为量子比特更加脆弱，对噪音更敏感，容易产生误差或导致数据丢失。
基于全新的理念，Majorana 1 处理器有望将 100 万个量子比特集成到一个芯片上，该芯片与台式电脑和服务器中的 CPU 差不多大。微软没有在新芯片中使用电子进行计算，而是使用了理论物理学家埃托雷・马约拉纳（Ettore Majorana）在 1937 年提出的马约拉纳粒子。微软通过创造所谓的「世界上第一个拓扑导体」达到了这一里程碑。
拓扑导体是一种新型材料，不仅可以观察，还可以控制马约拉纳粒子，以创造更可靠的量子比特。

微软 Majorana 1 处理器非常小。
微软的工作登上了最新一期的《自然》杂志，其中概述了研究成果。微软帮助创造了一种由砷化铟和铝制成的新材料，并将八个拓扑量子比特放在单块芯片上，目标是最终能扩展到 100 万个。

• 论文标题：Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices
  
• 论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2
  

不仅如此，微软还发布了一份实现「可靠量子计算」的路线图，称这是他们实现「从单量子比特设备到能够进行量子纠错的阵列的路径。」

• 路线图地址：https://arxiv.org/pdf/2502.12252
  

一个拥有 100 万个量子比特的芯片可以执行更精确的模拟，帮助提高人类对自然世界的理解，并在医学和材料科学领域取得突破。多年来，这一直是我们对于量子计算的愿景，而微软相信其拓扑导体或拓扑超导体是下一个重大突破。
微软量子公司副总裁 Zulfi Alam 表示：「我们在过去 17 年里一直在研究这个项目。这是公司里运行时间最长的研究项目。17 年后，我们展示的成果不仅令人难以置信，而且真实存在。它们将从根本上重新定义量子计算下一阶段的发展方式。」
一种全新的材料

微软表示，这一切突破的基础都可以归因于一种新材料：拓扑导体（topoconductor）。基于这种革命性的新材料，微软打造出了拓扑超导体（topological superconductivity）—— 这种物质状态之前只存在于理论之中。
微软博客写到：「这一进步源于微软在设计和制造栅极定义设备（gate-defined device）方面的创新，这些设备结合了砷化铟（一种半导体）和铝（一种超导体）。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）。」
过去近百年的时间里，MZM 这些准粒子只存在于教科书中。现在，微软可以根据需要在拓扑导体中创建和控制它们。MZM 是微软量子比特的基本模块，其能通过「奇偶校验」存储量子信息 —— 看这些线包含偶数还是奇数个电子。
在传统超导体中，电子结合成库珀对并会无阻力地移动。任何未配对的电子都可以被检测到，因为它的存在需要额外的能量。微软的拓扑导体则不同：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。

读取拓扑量子比特的状态。
上图展示了微软应对这种测量难题的方法：

• 使用数字开关将纳米线的两端耦合到量子点，量子点是一种可以存储电荷的微型半导体器件。
  
• 这种连接增加了点保持电荷的能力。至关重要的是，确切的增加量取决于纳米线的奇偶性。
  
• 使用微波测量这种变化。这些点保持电荷的能力决定了微波从量子点反射的方式。因此，它们会带着纳米线量子态的印记返回。
  

通过设计，微软让这些变化变得足够大，从而一次测量就能得到可靠的结果。微软表示，目前初始的测量错误概率为 1%，但他们已经确定了可以大幅降低错误概率的路径。
这种读出技术使量子计算的方法从根本上发生了变化，即可使用测量值进行计算。
传统量子计算是以精确的角度旋转量子态，需要为每个量子比特定制复杂的模拟控制信号。这会使量子误差校正 （QEC）变得复杂，因为量子误差校正必须依靠这些相同的敏感操作来检测和纠正错误。
微软新提出的基于测量的方法可以极大地简化 QEC—— 可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。这种数字控制可实现对大量量子比特的管理，从而为实际应用奠定基础。
从物理学到工程开发

接下来看看微软是怎么将上面介绍的物理可能性变成工程实践的。
前面已经提到，微软量子计算的核心构建模块是 MZM 编码、拓扑保护、通过测量进行处理的量子信息。
接下来，就需要基于单量子比特设备（称为 tetron）制造一个可扩展的架构，如下图所示。这个量子比特的一个基本操作是测量 tetron 中的一个拓扑纳米线的奇偶性。

使用 tetron 实现容错量子计算的路线图。第一幅图展示了一个单量子比特设备。tetron 由两条平行的拓扑线（蓝色）组成，两端各有一个 MZM（橙色点），由垂直的普通超导线（浅蓝色）连接。下一幅图展示了一个支持基于测量的 braiding 变换的双量子比特设备。第三幅图展示了一个 4×2 tetron 阵列，支持在两个逻辑量子比特上进行量子误差检测演示。这些演示预示着向量子误差校正方向的进展是可行，例如右图所示的设备（27×13 tetron 阵列）。
另一项关键操作是将量子比特置于奇偶性叠加态中。这也是通过对量子点进行微波反射测量来执行的，但测量配置不同：将第一个量子点与纳米线分离，并将另一个点连接到设备一端的两条纳米线上。通过执行这两个正交的泡利测量 Z 和 X，这里演示了基于测量的控制。微软表示这是开启其路线图下一步的关键里程碑。
微软表示：「我们的路线图正系统地朝着可扩展 QEC 迈进。下一步将使用 4×2 四元组阵列。我们将首先使用两个量子比特子集来演示纠缠和基于测量的 braiding 变换。然后，我们将使用整个八量子比特阵列在两个逻辑量子比特上实现量子错误检测。」
拓扑量子比特的内置错误保护简化了 QEC。此外，与之前最先进的方法相比，微软的自定义 QEC 代码可将开销减少大约十倍。这种大幅减少意味着其可扩展系统可以用更少的物理量子比特进行构建，并有可能以更快的时钟速度运行。

微软表示，在很多科研领域上，当今最强大的超级计算机也无法完成的任务可以被百万量子比特规模上的量子计算解决，比如能修复桥梁裂缝的自愈材料、可持续农业以及更安全的化学材料探索。如今需要花费数十亿美元进行详尽的实验搜索和实验室实验的内容，未来可能通过量子计算机的计算和模拟来快速找到。
值得一提的是，美国国防高级研究计划局（DARPA）现已选择微软作为两家公司之一，进入其「实用规模量子计算的未探索系统（US2QC）」项目的最后阶段。微软现在将「在几年内」建造一台基于拓扑量子比特的容错原型量子计算机。
百万量子比特的量子计算机不仅仅会是一个里程碑，也将成为解决人类前沿研究最困难问题的门户。微软认为，在基础技术得到验证后，通往实用量子计算的道路已经变得清晰。