今天凌晨，微軟發(fā)布了全球首個基于拓撲架構(gòu)的量子芯片Majorana 1，這是一種超越固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的全新物質(zhì)，徹底改變量子計算半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。

Majorana1與其他量子計算相比，具有更高的潛在容錯能力和抗環(huán)境噪聲干擾的特性，只有巴掌大小卻有望集成一百萬個量子比特，為開發(fā)超大規(guī)模量子計算機鋪平了道路，同時為商業(yè)化應(yīng)用提供了清晰路徑。

值得一提的是，微軟在大約20年前就做出了開發(fā)拓撲量子比特的決定，經(jīng)過漫長的研究和等待，今天終于實現(xiàn)了。

Majorana 1介紹

微軟CEO Satya Nadella還特意發(fā)布長文解讀了這款重大技術(shù)突破的量子芯片，以下是他發(fā)布的原文：

我們大多數(shù)人在成長過程中所學的是，物質(zhì)主要分為三種重要形態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。如今，這一認知被改變了。

經(jīng)過近 20 年的不懈探索，我們創(chuàng)造出了一種全新的物質(zhì)形態(tài)，它由一類新型材料——拓撲超導(dǎo)體解鎖，實現(xiàn)了計算領(lǐng)域的根本性飛躍。

這種全新物質(zhì)形態(tài)為Majorana 1提供動力，它是首款基于拓撲核心構(gòu)建的量子處理單元。

我們相信，這一突破將使我們能夠在幾年內(nèi)就打造出一臺真正意義非凡的量子計算機，而不是像有些人預(yù)測的那樣需要幾十年。

利用拓撲超導(dǎo)體制造的量子比特速度更快、更可靠，且尺寸更小。它們只有 0.01 毫米，這意味著我們?nèi)缃裼辛艘粭l清晰的道路，有望制造出擁有一百萬個量子比特的處理器。

想象一下，一塊能放在掌心的芯片，卻能解決即使當今地球上所有計算機加起來都無法解決的問題！

有時，研究人員必須花費數(shù)十年時間鉆研，才有可能取得進展。要在世界上產(chǎn)生重大影響，需要耐心與堅持。我很高興在微軟我們有機會做到這一點。

這就是我們的關(guān)注點：當生產(chǎn)力提高，經(jīng)濟增長會加快，全球各個行業(yè)、各個角落都將從中受益。這無關(guān)炒作技術(shù)，而是關(guān)乎打造真正服務(wù)于世界的技術(shù)。

Majorana1簡單介紹

Majorana1的核心是微軟開發(fā)的拓撲超導(dǎo)體，這是一種能夠?qū)崿F(xiàn)拓撲超導(dǎo)性的全新材料。這種材料通過結(jié)合銦砷化物（半導(dǎo)體）和鋁（超導(dǎo)體），在接近絕對零度的低溫下，通過磁場調(diào)節(jié)，形成具有Majorana MZMs的拓撲超導(dǎo)納米線。

這些準粒子曾僅存在于理論中，現(xiàn)在，微軟能夠在拓撲超導(dǎo)體中按需創(chuàng)建和控制它們

拓撲量子比特利用MZMs存儲量子信息，通過“奇偶性”（納米線中電子數(shù)量的奇偶性）來編碼信息。

與傳統(tǒng)超導(dǎo)體不同，拓撲超導(dǎo)體中的未配對電子被一對MZMs共享，使其對外界環(huán)境“隱形”，從而保護量子信息免受干擾。這種獨特的保護機制使得拓撲量子比特在穩(wěn)定性上具有顯著優(yōu)勢。

盡管拓撲量子比特的量子信息得到了很好的保護，但也帶來了測量的挑戰(zhàn)。微軟通過一種創(chuàng)新的測量技術(shù)解決了這一問題，利用數(shù)字開關(guān)將納米線兩端連接到一個量子點，一種能夠存儲電荷的微小半導(dǎo)體裝置，通過微波反射測量量子點的電荷變化，從而讀取納米線的量子態(tài)。

這種測量方法不僅能夠可靠地讀取量子信息，而且誤差概率極低，初始測量誤差概率僅為1%，并且有明確的路徑進一步降低誤差。

此外，傳統(tǒng)的量子計算依賴于復(fù)雜的模擬控制信號來旋轉(zhuǎn)量子態(tài)，這使得量子糾錯變得極為復(fù)雜。

微軟的測量技術(shù)則采用了一種全新的方法，通過簡單的數(shù)字脈沖激活量子點與納米線之間的連接，從而實現(xiàn)量子計算。這種數(shù)字化控制方式極大地簡化了量子糾錯過程，使得大規(guī)模量子比特的管理變得更加可行，為量子計算的大規(guī)模應(yīng)用鋪平了道路。

微軟計劃將這些基礎(chǔ)技術(shù)整合到一個可擴展的架構(gòu)中，并設(shè)計了一種名為“tetron”的單量子比特設(shè)備，作為構(gòu)建量子計算機的基本單元。微軟已經(jīng)在實驗中展示了四子設(shè)備的基本操作，包括測量納米線的奇偶性以及將量子比特置于奇偶性疊加態(tài)。這些操作的成功驗證了測量基礎(chǔ)控制技術(shù)，為后續(xù)的量子糾錯和大規(guī)模擴展奠定了基礎(chǔ)。

微軟的路線圖清晰地規(guī)劃了從單量子比特設(shè)備到支持量子糾錯的多量子比特陣列的逐步發(fā)展。

計劃首先通過4×2的四子陣列展示量子糾纏和測量基礎(chǔ)編織變換，然后利用整個八量子比特陣列實現(xiàn)兩個邏輯量子比特的量子錯誤檢測。最終目標是構(gòu)建一個27×13的四子陣列，實現(xiàn)完整的量子糾錯功能。

Majorana1如何改變世界

除了開發(fā)自己的量子硬件外，微軟還與Quantinuum和Atom Computing合作，利用現(xiàn)有的量子比特實現(xiàn)科學和工程突破，包括去年宣布的行業(yè)首個可靠的量子計算機。

這些機器為開發(fā)量子技能、構(gòu)建混合應(yīng)用和推動新發(fā)現(xiàn)提供了重要機會，尤其是當人工智能與由更多可靠量子比特驅(qū)動的新型量子系統(tǒng)結(jié)合時。

現(xiàn)在，Azure Quantum提供了一系列集成解決方案，允許客戶利用Azure中的領(lǐng)先人工智能、高性能計算和量子平臺來推動科學發(fā)現(xiàn)。

要實現(xiàn)量子計算的下一階段突破，需要一種能夠提供百萬量子比特或更多，并實現(xiàn)萬億次快速可靠操作的量子架構(gòu)。而微軟的Majorana 1加速了這一進程，可以在幾年內(nèi)而非幾十年實現(xiàn)

由于能夠利用量子力學以極高的精度數(shù)學映射自然行為，從化學反應(yīng)到分子相互作用和酶能量，百萬量子比特的機器能夠解決一些特定類型的難題，而這些是傳統(tǒng)計算機無法做到的。

例如，量子計算機可以幫助解決材料腐蝕或開裂的難題，從而開發(fā)出能夠修復(fù)橋梁或飛機部件裂縫、破碎手機屏幕或劃痕汽車門的自愈材料。

由于塑料種類繁多，目前無法找到一種通用的催化劑來分解它們，尤其是對于清理微塑料或解決碳污染至關(guān)重要。量子計算可以計算這種催化劑的特性，將污染物分解為有價值的產(chǎn)品，或從一開始就開發(fā)出無毒的替代品。

專家解讀Majorana 1

此外，量子計算還可以更有效地利用生物催化劑（酶），在醫(yī)療保健和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，例如提高土壤肥力以增加產(chǎn)量，或在惡劣氣候下促進食品的可持續(xù)生長。

最重要的是，量子計算將允許工程師、科學家、公司等在第一次設(shè)計時就完美地設(shè)計出產(chǎn)品，這將對從醫(yī)療保健到產(chǎn)品開發(fā)的各個領(lǐng)域產(chǎn)生變革性影響。量子計算機與人工智能工具的結(jié)合將允許人們用普通語言描述他們想要創(chuàng)造的新材料或分子，并直接獲得可行的答案，無需猜測或多年的試錯。

微軟技術(shù)研究員Chetan Nayak表示，微軟在設(shè)計Majorana1時，相當于為量子時代發(fā)明了“晶體管”，并確定了其所需的關(guān)鍵特性。這種新型材料堆疊的組合、質(zhì)量和細節(jié)使得新型量子比特和整個架構(gòu)成為可能。Majorana 1的架構(gòu)為在單芯片上集成百萬量子比特提供了清晰的路徑，這種芯片可以輕松放在掌心。

目前，微軟的Majorana 1已經(jīng)獲得美國國防高級研究計劃局的認可并達成協(xié)議，成為探索大規(guī)模量子計算計劃的最終階段參與者之一。并計劃在未來幾年內(nèi)構(gòu)建一個基于拓撲量子比特的容錯量子計算機原型，這將是邁向?qū)嵱谩⑸虡I(yè)化量子計算的關(guān)鍵一步。

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