20年磨一剑！微软发布全球首个拓扑量子芯片，一夜改变半导体

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今天凌晨，微软发布了全球首个基于拓扑架构的量子芯片Majorana 1，这是一种超越固态、液态和气态的全新物质，彻底改变量子计算半导体产业。
Majorana 1与其他量子计算相比，具有更高的潜在容错能力和抗环境噪声干扰的特性，只有巴掌大小却有望集成一百万个量子比特，为开发超大规模量子计算机铺平了道路，同时为商业化应用提供了清晰路径。
值得一提的是，微软在大约20年前就做出了开发拓扑量子比特的决定，经过漫长的研究和等待，今天终于实现了。


Majorana 1介绍

微软CEO Satya Nadella还特意发布长文解读了这款重大技术突破的量子芯片，以下是他发布的原文：
我们大多数人在成长过程中所学的是，物质主要分为三种重要形态：固态、液态和气态。如今，这一认知被改变了。
经过近 20 年的不懈探索，我们创造出了一种全新的物质形态，它由一类新型材料——拓扑超导体解锁，实现了计算领域的根本性飞跃。
这种全新物质形态为Majorana 1提供动力，它是首款基于拓扑核心构建的量子处理单元。
我们相信，这一突破将使我们能够在几年内就打造出一台真正意义非凡的量子计算机，而不是像有些人预测的那样需要几十年。
利用拓扑超导体制造的量子比特速度更快、更可靠，且尺寸更小。它们只有 0.01 毫米，这意味着我们如今有了一条清晰的道路，有望制造出拥有一百万个量子比特的处理器。
想象一下，一块能放在掌心的芯片，却能解决即使当今地球上所有计算机加起来都无法解决的问题！
有时，研究人员必须花费数十年时间钻研，才有可能取得进展。要在世界上产生重大影响，需要耐心与坚持。我很高兴在微软我们有机会做到这一点。
这就是我们的关注点：当生产力提高，经济增长会加快，全球各个行业、各个角落都将从中受益。这无关炒作技术，而是关乎打造真正服务于世界的技术。

Majorana 1简单介绍

Majorana 1的核心是微软开发的拓扑超导体，这是一种能够实现拓扑超导性的全新材料。这种材料通过结合铟砷化物（半导体）和铝（超导体），在接近绝对零度的低温下，通过磁场调节，形成具有Majorana MZMs的拓扑超导纳米线。
这些准粒子曾仅存在于理论中，现在，微软能够在拓扑超导体中按需创建和控制它们。

拓扑量子比特利用MZMs存储量子信息，通过“奇偶性”（纳米线中电子数量的奇偶性）来编码信息。
与传统超导体不同，拓扑超导体中的未配对电子被一对MZMs共享，使其对外界环境“隐形”，从而保护量子信息免受干扰。这种独特的保护机制使得拓扑量子比特在稳定性上具有显著优势。
尽管拓扑量子比特的量子信息得到了很好的保护，但也带来了测量的挑战。微软通过一种创新的测量技术解决了这一问题，利用数字开关将纳米线两端连接到一个量子点，一种能够存储电荷的微小半导体装置，通过微波反射测量量子点的电荷变化，从而读取纳米线的量子态。
这种测量方法不仅能够可靠地读取量子信息，而且误差概率极低，初始测量误差概率仅为1%，并且有明确的路径进一步降低误差。

此外，传统的量子计算依赖于复杂的模拟控制信号来旋转量子态，这使得量子纠错变得极为复杂。
微软的测量技术则采用了一种全新的方法，通过简单的数字脉冲激活量子点与纳米线之间的连接，从而实现量子计算。这种数字化控制方式极大地简化了量子纠错过程，使得大规模量子比特的管理变得更加可行，为量子计算的大规模应用铺平了道路。

微软计划将这些基础技术整合到一个可扩展的架构中，并设计了一种名为“tetron”的单量子比特设备，作为构建量子计算机的基本单元。微软已经在实验中展示了四子设备的基本操作，包括测量纳米线的奇偶性以及将量子比特置于奇偶性叠加态。这些操作的成功验证了测量基础控制技术，为后续的量子纠错和大规模扩展奠定了基础。
微软的路线图清晰地规划了从单量子比特设备到支持量子纠错的多量子比特阵列的逐步发展。
计划首先通过4×2的四子阵列展示量子纠缠和测量基础编织变换，然后利用整个八量子比特阵列实现两个逻辑量子比特的量子错误检测。最终目标是构建一个27×13的四子阵列，实现完整的量子纠错功能。
Majorana 1如何改变世界

除了开发自己的量子硬件外，微软还与Quantinuum和Atom Computing合作，利用现有的量子比特实现科学和工程突破，包括去年宣布的行业首个可靠的量子计算机。
这些机器为开发量子技能、构建混合应用和推动新发现提供了重要机会，尤其是当人工智能与由更多可靠量子比特驱动的新型量子系统结合时。
现在，Azure Quantum提供了一系列集成解决方案，允许客户利用Azure中的领先人工智能、高性能计算和量子平台来推动科学发现。
要实现量子计算的下一阶段突破，需要一种能够提供百万量子比特或更多，并实现万亿次快速可靠操作的量子架构。而微软的Majorana 1加速了这一进程，可以在几年内而非几十年实现。
由于能够利用量子力学以极高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，百万量子比特的机器能够解决一些特定类型的难题，而这些是传统计算机无法做到的。
例如，量子计算机可以帮助解决材料腐蚀或开裂的难题，从而开发出能够修复桥梁或飞机部件裂缝、破碎手机屏幕或划痕汽车门的自愈材料。
由于塑料种类繁多，目前无法找到一种通用的催化剂来分解它们，尤其是对于清理微塑料或解决碳污染至关重要。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产品，或从一开始就开发出无毒的替代品。

专家解读Majorana 1

此外，量子计算还可以更有效地利用生物催化剂（酶），在医疗保健和农业领域实现突破，例如提高土壤肥力以增加产量，或在恶劣气候下促进食品的可持续生长。
最重要的是，量子计算将允许工程师、科学家、公司等在第一次设计时就完美地设计出产品，这将对从医疗保健到产品开发的各个领域产生变革性影响。量子计算机与人工智能工具的结合将允许人们用普通语言描述他们想要创造的新材料或分子，并直接获得可行的答案，无需猜测或多年的试错。

Chetan Nayak
微软技术研究员Chetan Nayak表示，微软在设计Majorana 1时，相当于为量子时代发明了“晶体管”，并确定了其所需的关键特性。这种新型材料堆叠的组合、质量和细节使得新型量子比特和整个架构成为可能。Majorana 1的架构为在单芯片上集成百万量子比特提供了清晰的路径，这种芯片可以轻松放在掌心。
目前，微软的Majorana 1已经获得美国国防高级研究计划局的认可并达成协议，成为探索大规模量子计算计划的最终阶段参与者之一。并计划在未来几年内构建一个基于拓扑量子比特的容错量子计算机原型，这将是迈向实用、商业化量子计算的关键一步。