作者 | ZeR0
編輯 | 漠影
芯東西2月20日報道，微軟昨夜在量子計算領域甩出一枚重磅“核彈”，正式推出Majorana 1——全球首個由拓撲核心驅動的量子處理器（QPU）。
微軟董事長兼CEO薩蒂亞·納德拉發文宣佈：“這一突破將使我們在幾年內，而不像一些人預測的那樣用幾十年，創造出一臺真正有意義的量子計算機。”
這是微軟執行時間最長的研究專案之一。過去17年，微軟一直推進這項研究。他們已經能對迄今僅被理論化的亞原子粒子進行觀察，還可以控制它。
這為量子計算創造了一種全新的材料和架構——可將100萬量子位元塞進一顆巴掌大小的單晶片。
Majorana 1小到只有0.01毫米寬，已實現將8個拓撲量子位元放在單晶片上，未來這個晶片將能擴充套件至百萬級量子位元。
而世界上所有當前計算機的協同執行，都無法完成一臺100萬量子位元的量子計算機能夠完成的任務。
100萬量子位元意味著什麼？
量子計算機可以模擬得非常精確，將解決當今世界所有計算機的綜合能力所無法解決的問題，比如將微塑膠分解成無害的副產品、發明自修復材料，有望徹底改變醫學、藥物研發、材料科學乃至我們對自然世界的理解。
不僅如此，量子計算機還能增強AI能力，推動更多前沿發現。
Majorana 1的革命性突破在於運用了全新材料“拓撲導體”（topoconductor），標誌著人類向實用化量子計算邁出關鍵一步。
微軟還宣佈在實用量子計算的道路上取得如下進展：
1、硬體級保護型拓撲量子位元 ：結合今日Nature論文及Station Q會議披露的技術細節，微軟率先利用新型材料和設計一種完全不同型別的微型、高速、支援全數字化調控的量子位元。
2、可靠量子計算的裝置路線圖：從單量子位元到實現量子糾錯的陣列結構。
3、構建世界上第一個基於拓撲量子位元的容錯原型（FTP）：作為美國國防高階研究計劃局（DARPA）實用規模量子計算未充分探索系統（US2QC）計劃的最終階段的一部分，微軟正在按計劃構建可擴充套件量子計算機的FTP（只需數年而不是數十年）。
這些里程碑共同標誌著從科學探索向技術創新邁進的量子計算關鍵時刻，將重新定義量子旅程的下一階段如何進行。
Dwarkesh播客節目第一時間放出對納德拉的專訪。納德拉談道，今年是微軟成立50週年，微軟在量子計算領域已經研究了大約30年，現在有了物理學和製造技術上的突破，接下來要做的是構建第一臺容錯量子計算機。
他希望用量子計算機來取代一些高效能計算，並幫助我們應對這個星球上面臨的所有挑戰。
論文指路：arxiv.org/pdf/2502.12252
01.
通往百萬量子位元的路徑：
世界上第一個拓撲導體
量子世界遵循量子力學定律，這與我們所見世界的物理定律不同。這些粒子被稱為量子位元，類似於計算機現在使用的位元，即1和0。
量子位元非常敏感，極易受到來自環境的干擾和誤差的影響，從而導致它們崩潰和資訊丟失。它們的狀態也會受到測量的影響，這造成了問題，因為測量對於計算至關重要。一個固有挑戰是開發一個可以測量和控制的量子位元，同時提供保護以防止環境噪聲破壞它們。
量子位元可以透過不同的方式建立，每種方式都有優點和缺點。將近20年前，微軟決定採用一種獨特的方法：開發拓撲量子位元。
微軟認為，這將提供更穩定的量子位元，需要更少的糾錯，從而釋放速度、尺寸和可控性優勢。
這種方法的學習曲線很陡峭，需要未知的科學和工程突破，但也是建立可擴充套件和可控的量子位元、能夠完成具有商業價值的工作的最有希望的途徑。
它們在自然界中並不存在，只能透過磁場和超導體誘導而產生。開發合適的材料來製造奇異粒子及其相關的物質拓撲狀態的難度，是大多數量子研究都集中在其他型別的量子位元上的原因。
直到近期，微軟試圖使用的奇異粒子——馬約拉納（Majorana）粒子，才被人發現或製造出來。
這基於其團隊的最新重大成果：全球首個拓撲導體。
拓撲導體，又稱拓撲超導體，是一種特殊的材料，可以創造一種全新的物質狀態——不是固體、液體或氣體，而是拓撲狀態。
利用這種狀態可以產生更穩定的量子位元。拓撲量子位元進展的精妙之處在於，它這種量子位元速度快、體積小，並且可以數字控制，無需像目前的替代方案那樣進行權衡，具有無可比擬的擴充套件能力。
微軟在發表於Nature的一篇新論文中概述瞭如何建立拓撲量子位元的奇異量子特性並準確測量它們，這是實用計算的必要步驟。
論文連結：nature.com/articles/s41586-024-08445-2
這一突破需要開發一種由砷化銦（半導體）和鋁（超導體）製成的全新材料堆疊，其中大部分都是微軟逐個原子設計和製造的。
其目標是誘匯出名為馬約拉納粒子的新量子粒子，並利用其獨特性質進入量子計算的下一個領域。
當冷卻到接近絕對零度並用磁場調節時，這些裝置會形成拓撲超導奈米線（nanowire），導線末端具有馬約拉納零模式（MZM）。
近一個世紀以來，這些準粒子只存在於教科書中。去年，微軟第一次觀察到馬約拉納粒子。而現在，微軟可以根據需要，在拓撲導體中建立和控制它們了。
MZM是量子位元的構建塊，透過“奇偶校驗”儲存量子資訊——導線包含偶數還是奇數個電子。
在傳統超導體中，電子結合成庫珀對並無阻力移動。任何未配對的電子都可以被檢測到，因為它的存在需要額外的能量。
拓撲導體有所不同：在這裡，一對MZM之間共享一個未配對的電子，使其對環境不可見。這種獨特的屬性保護了量子資訊。
雖然這使得拓撲導體成為量子位元的理想候選者，但它也帶來了一個挑戰：如何讀取隱藏得如此好的量子資訊？如何區分1,000,000,000個電子和1,000,000,001個電子？
微軟對這一測量挑戰的的解決方案如下：
1、透過數字開關將奈米線兩端耦合至量子點（儲存電荷的微型半導體結構）。
2、這種連線提高了點保持電荷的能力。確切的增加取決於奈米線的奇偶校驗。
3、用微波測量這種變化。量子點保持電荷的能力決定了微波如何從量子點反射。因此，它們會帶著奈米線量子態的印記返回。
微軟設計的裝置足以實現在單次測量中可靠測量，最初測量誤差率為1%，並且已有明確路徑來顯著降低這一誤差。
▲讀取拓撲量子位元的狀態
微軟的系統表現出了令人印象深刻的穩定性。外部能量（例如電磁輻射）可以破壞庫珀對，產生不成對的電子，從而將量子位元的狀態從偶數變為奇數。但其結果表明這種情況很少見，平均每毫秒只發生一次。這表明包裹其處理器的遮蔽層可以有效地阻擋此類輻射。微軟正在探索進一步減少這種情況的方法。
量子計算需要設計一種專門用於實現量子計算的新物質狀態。微軟的讀出技術已經非常精確，這表明其正在利用這種奇異的物質狀態進行量子計算。
這種讀出技術實現了從根本上不同的量子計算方法，其中使用測量來執行計算。
02.
透過數字精度徹底改變數子控制，
從物理學到工程學
傳統晶片用電子完成計算。Majorana 1晶片不使用電子，而使用馬約拉納粒子進行計算，它是半個電子。
微軟不僅能夠建立馬約拉納粒子，幫助保護量子資訊免受隨機干擾，而且還可以使用微波可靠地測量它們的資訊。
世界上第一個為Majorana 1提供動力的拓撲核心在設計上是可靠的，在硬體層面融入了抗錯誤功能，使其更加穩定。
具有商業重要性的應用，需對100萬量子位元進行數萬億次運算。而當前的方法依賴於對每個量子位元進行精細調整的模擬控制，這超出了現有方法的承受範圍。
傳統量子計算以精確的角度旋轉量子態，需要為每個量子位定製複雜的模擬控制訊號。這使量子糾錯 （QEC）變得複雜，因為量子糾錯必須依靠這些同樣敏感的操作來檢測和糾正錯誤。
馬約拉納粒子隱藏了量子資訊，使其更加可靠，但也更難測量。微軟團隊的新測量方法非常精確，可以檢測到超導導線中十億個電子和十億個電子之間的差異——這告訴計算機量子位元處於什麼狀態，並構成量子計算的基礎。
具體而言，微軟基於測量的方法完全透過由連線和斷開量子點與奈米線的簡單數字脈衝啟用的測量來執行誤差校正。這種數字控制，使得管理實際應用所需的大量量子位元變得切實可行，重新定義並大大簡化了量子計算的工作原理。
測量可以透過電壓脈衝來開啟和關閉，就像輕按電燈開關一樣，而不必為每個單獨的量子位元微調刻度盤。這種更簡單的測量方法可以實現數字控制，從而簡化了量子計算過程和構建可擴充套件機器的物理要求。
微軟的拓撲量子位元還因其尺寸而比其他量子位元更具優勢。
據研究人員分享，即便是如此微小的量子位元，也存在一個“適中”區域，太小的量子位元很難執行控制線，而太大的量子位元則需要一臺巨大的機器。為這些型別的量子位元添加個性化控制技術將需要建造一臺不切實際的計算機，其大小相當於一個飛機庫或足球場。
Majorana 1是微軟的量子晶片，包含量子位元和周圍的控制電子裝置，小到可以握在手掌中，並能整齊地裝入量子計算機中，而量子計算機可輕鬆部署在微軟Azure資料中心內。
目前Majorana 1已經擁有8個拓撲量子位元。
透過展示核心構建模組——在MZM中編碼、受拓撲保護並透過測量處理的量子資訊，微軟稱他們已準備好從物理突破轉向實際應用。
微軟的拓撲量子位元架構將鋁奈米線連線在一起形成一個 H。每個H有4個可控的馬約拉納粒子，構成一個量子位元。這些H也可以連線起來，像許多瓷磚一樣分佈在晶片上。
下一步是圍繞單量子位元裝置（稱為Tetron）構建可擴充套件架構。在Station Q會議上，微軟分享了演示此量子位元基本操作的資料。一項基本操作（測量Tetron中拓撲奈米線之一的奇偶性）使用了微軟在Nature論文中描述的相同技術。
▲實現容錯量子計算的路線圖
圖中第一幅圖展示了一個單量子位元裝置。tetron由兩條平行拓撲線（藍色）組成，兩端各有一個MZM（橙色點），由一條垂直的平凡超導導線（淺藍色）連線。
第二幅圖展示了一個支援基於測量的編織轉換的雙量子位元裝置。第三幅圖顯示了一個4×2 tetron陣列，支援在兩個邏輯量子位元上進行量子錯誤檢測演示。這些演示建立在量子糾錯的基礎上，如右圖所示的裝置（27×13 tetron陣列）。
另一個關鍵操作是將量子位元置於奇偶校驗態的疊加中。這也是透過對量子點進行微波反射測量來實現的，但測量配置不同，微軟將第一個量子點與奈米線分離，並將另一個點連線到裝置一端的兩條奈米線上。透過執行這兩個正交的泡利測量Z和X，微軟展示了基於測量的控制，這是開啟其路線圖下一步的關鍵里程碑。
微軟路線圖現在系統地指向可擴充套件的QEC。下一步將涉及4×2四量子陣列。他們將首先使用一個雙量子位元子集來演示糾纏和基於測量的編織變換，然後將使用整個8量子位元陣列在2個邏輯量子位元上實現量子誤差檢測。
拓撲量子位元的內建錯誤保護簡化了QEC。此外，與之前的先進方法相比，其自定義QEC程式碼將開銷減少到大約1/10。
這種大幅減少意味著其可擴充套件系統可以用更少的物理量子位元構建，並有可能以更快的時鐘速度執行。
量子晶片不能單獨工作。它存在於一個生態系統中。這個生態系統具有控制邏輯、一個將量子位元保持在比外太空低得多的溫度的稀釋製冷機，還有一個可以與AI和傳統計算機整合的軟體棧。所有這些部件都是完全在內部構建或修改的。
繼續完善這些流程並讓所有元素以更快的規模協同工作將需要更多年的工程工作。但微軟稱，許多艱難的科學和工程挑戰現在已經得到解決。
03.
已進入DAPRA嚴格基準測試最終階段
除了製造自己的量子硬體之外，微軟還與Quantinuum和Atom Computing合作，利用當今的量子位元取得科學和工程突破，包括去年宣佈推出業界首臺可靠的量子計算機。
這些型別的機器為開發量子技能、構建混合應用程式和推動新發現提供了重要的機會，特別是當AI與由大量可靠量子位元驅動的新量子系統相結合時。
如今，Azure Quantum提供了一套整合解決方案，使客戶能夠利用Azure中領先的AI、高效能計算和量子平臺來推進科學發現。
美國DARPA已選定微軟作為兩家進入其嚴格基準測試計劃最終階段的公司之一，該計劃名為實用級量子計算未開發系統（US2QC），是DARPA大型量子基準測試計劃（QBI）的組成部分之一。微軟認為這是對其構建具有拓撲量子位元容錯量子計算機路線圖的認可。
DARPA的US2QC計劃及其更廣泛的量子基準測試計劃代表了一種嚴格的方法來評估量子系統，這些系統可以解決超出傳統計算機能力的問題。
此前，DARPA評估微軟可以在合理的時間內構建出實用級量子計算機，因此選擇了微軟進行早期階段的研究。隨後，DARPA評估了微軟量子團隊的容錯量子計算機架構設計和工程計劃。經仔細分析，DARPA和微軟簽署了一項協議，開始該專案的最後階段。
在此階段，微軟計劃在數年內（而不是數十年內）構建基於拓撲量子位的容錯原型，這是邁向實用級量子計算的關鍵加速步驟。
這將實現一種能提供100萬個或更多量子位元並實現數萬億次快速可靠操作的量子架構。
它們可以使用量子力學以驚人的精度在數學上描繪自然界的行為方式，從化學反應到分子相互作用和酶能量。
百萬級量子位元機器應該能夠解決化學、材料科學和其他行業中某些型別的問題，而這些問題是當今的傳統計算機無法準確計算的。
例如，它們可以幫助解決材料為何會遭受腐蝕或開裂的化學難題。這可能導致自修復材料出現，用於修復橋樑或飛機部件的裂縫、破碎的手機螢幕或刮傷的車門。
由於塑膠種類繁多，目前還無法找到一種可以分解塑膠的萬能催化劑——這對於清理微塑膠或解決碳汙染尤為重要。量子計算可以計算此類催化劑的性質，將汙染物分解成有價值的副產品或首先開發無毒替代品。
酶是一種生物催化劑，由於只有量子計算才能提供對其行為的精確計算，酶可以更有效地應用於醫療保健和農業。這可能會帶來突破性進展，幫助消除全球飢餓：提高土壤肥力以提高產量或促進惡劣氣候條件下糧食的可持續生長。
研究人員說，讓材料正確堆疊以產生物質的拓撲狀態是最困難的部分之一。微軟的拓撲導體不是由矽製成，而是由砷化銦製成，這種材料目前用於紅外探測器等應用，具有特殊性質。半導體與超導性相結合，形成了一種混合物。
理解這些材料非常困難，有了可擴充套件的量子計算機，人們將能夠預測具有更好效能的材料，進而能夠構建下一代超越規模的量子計算機。
最重要的是，量子計算可以讓工程師、科學家、公司和其他人員第一次就設計出正確的產品——這將為從醫療健康到產品開發等各個領域帶來變革。
量子計算的強大功能與AI工具相結合，可以讓人們用通俗易懂的語言描述他們想要創造什麼樣的新材料或分子，並立即得到可行的答案——無需猜測或多年的反覆試驗。
“任何製造任何東西的公司都可以在第一次就設計出完美的產品。它會給你答案，”微軟技術研究員說，“量子計算機教會AI自然語言，這樣AI就可以告訴你想要製造什麼的配方。”
04.
結語：百萬量子位元開啟未來之門，
將推動材料科學革新
18個月前，微軟制定了量子超算路線圖。今天，微軟已經實現第二階段的目標——展示了世界上第一個拓撲量子位元。微軟已經在一顆設計為容納100萬個量子位元的晶片上集成了8個拓撲量子位元。
百萬量子位元的量子計算機不僅僅是一個里程碑，更是解決世界上一些最困難問題的途徑。
即使是當今最強大的超級計算機，也無法準確預測決定未來必不可少的材料特性的量子過程。但這種規模的量子計算可以帶來創新，例如修復橋樑裂縫的自修復材料、可持續農業和更安全的化學發現。
今天需要耗資數十億美元進行的詳盡實驗探索，可以用量子計算機取而代之。
微軟通往實用量子計算的路徑很清晰，基礎技術已得到驗證。微軟相信其架構是可擴充套件的，他們正不懈朝著目標前進——建造一臺能夠推動科學發現並解決重要問題的量子機器。
我們正處於量子時代的開端，而Majorana 1只是個開始。
來源：微軟
