手掌大小晶片碾壓全球算力！微軟量子計算核彈級突破，納德拉：構建全新物質狀態

2025-04-22 18:19 量子位

白交 發自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI
想象一下，一個放在手掌上的晶片，能解決當今地球上所有計算機加起來都無法解決的問題。
Nature報道：量子計算，再迎新突破——
微軟推出Majorana 1，這是首款基於新型拓撲核心架構的量子晶片。
官方稱，有望在數年內實現能夠解決工業級別規模問題的量子計算機。
這裡官方還特意標註了下：不是幾十年，而是數年。這為量子計算的大規模應用按下了加速按鈕。
這種名為馬約拉納的新量子粒子更快更小也更可靠，因為只有1/100毫米，所以可以拓展至一百萬個量子位元。
納德拉特意表示：這不是炒作技術，而是打造真正服務於世界的技術。
不過很快，遭到了物理學家們的質疑——
這一進展沒有任何技術細節，其Nature雜誌上發表的也只是中間結果，並沒有證明拓撲量子位元的存在。

微軟量子計算新突破：百萬量子位元成為現實

此次微軟新突破的釋出，可以說一攬子輸出，搞得大張旗鼓——
新聞稿有、Nature雜誌有，還在arxiv上發表了可靠量子計算的量子位元路線圖。
連納德拉更是撰寫長文介紹：經過近20年的探索，終於解鎖了拓撲超導體這一全新物質狀態。
要說這次研究，得從「拓撲超導體」這一種特殊材料開始說起。
它能夠創造出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，這種量子位元速度快、體積小，並且可以數字控制，而無需像目前的替代方案那樣進行權衡。
這需要開發一種由砷化銦（一種半導體）和鋁（一種超導體）組成的全新材料堆疊，其中大部分材料都是微軟逐個原子設計和製造的。Nature其實就是報道了這一過程。
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，導線末端具有馬約拉納零模式 (MZM)。
MZM作為量子位元的構建塊，透過 “奇偶性 ”儲存量子資訊—即導線包含的電子數是偶數還是奇數。
在傳統超導體中，電子結合成庫珀對，移動時沒有阻力。任何未成對的電子都能被探測到，因為它的存在需要額外的能量。
而拓撲超導體則不同：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。這種獨特的特性可以保護量子資訊。
拓撲超導體也就成為量子位元的理想選擇，但也帶來了一個挑戰：如何讀取隱藏的量子資訊？
他們的解決方案如下：
  • 使用數字開關將奈米線的兩端與量子點耦合，量子點是一種可以儲存電荷的微小半導體器件。
  • 這種連線提高了量子點的電荷保持能力。最關鍵的是，具體的增幅取決於奈米線的奇偶性。
  • 使用微波來測量這種變化。量子點的電荷容納能力決定了微波在量子點上的反射方式。因此，微波返回時會攜帶奈米線量子態的印記。
團隊在設計裝置時就考慮到了這些變化的幅度，因此能夠可靠地進行單次測量。最初的測量誤差機率為 1%，而現在他們已經找到了顯著降低誤差機率的明確途徑。
最終他們的系統具有很強的穩定性。外部能量（如電磁輻射）會破壞庫珀對，產生非配對電子，從而將量子位元的狀態從偶數奇偶性轉變為奇數奇偶性。
然而，他們的研究結果表明，這種情況很少發生，平均每毫秒只發生一次。這表明，包裹處理器的遮蔽罩能有效阻擋這種輻射。
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。
但他們這種以數字測量的方式大大簡化了QEC——可以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。
基於此，他們還發布了具體的路線圖。
  • 第一幅圖展示了一個單量子位元裝置。四元組由兩條平行拓撲線（藍色）組成，兩端各有一個MZM（橙色點），由垂直平凡超導導線（淺藍色）連線。
  • 第二幅圖展示了一個支援基於測量的編織變換的雙量子位元裝置。
  • 第三幅圖展示了一個4×2四元組陣列，支援在兩個邏輯量子位元上進行量子誤差檢測演示。
按照這一路線圖，接下來他們有兩個方面的計劃：
圍繞單量子位元裝置（稱為 Tetron）構建可擴充套件架構；將量子位元置於奇偶校驗態的疊加中。
按照官方說法，十八個月前，他們制定了量子超級計算機的發展路線圖，完成了首個里程碑。
今天，他們完成了第二個里程碑——
展示了世界上第一個拓撲量子位元。我們已經在一塊設計為容納一百萬個量子位元的晶片上放置了八個拓撲量子位元。
這一進展驗證了微軟多年前選擇進行拓撲量子位元設計的決定——這是一項高風險、高回報的科學和工程挑戰，現在已初見成效。

但有物理學家質疑

不過微軟宣稱的這一核彈級突破，遭到了物理學家們的質疑。
牛津大學理論物理學家Steven Simon看到成果後表示：
我敢打賭，他們看到的是他們認為他們看到的東西嗎？不，但看起來相當不錯。
從實驗中無法立即確定量子位元是由拓撲量子態構成的。
這一質疑並非沒有道理，畢竟微軟此前也遇到過類似的事情。
早在2018年，來自微軟荷蘭實驗室的工作人員宣稱，他們觀察到了Majorana費米子。
Majorana費米子，它的反粒子也是它本身，是由埃託雷·馬約拉納於1937年提出的假設。作為解決量子位元不穩定的理想方案之一，有應用於拓撲量子計算機的潛力，因此被諸多科學家和企業探索。
微軟就是其中之一，2004年就開始了相關探索，並邀請了這個領域的大牛Leo Kouwenhoven作為操盤手。（他於2022年離職）
當時這一研究也登上了Nature，引發了行業轟動，不過被科學家質疑「無法復現」。
有科學家指出，他們獲得的原始測量資料與論文中發表的資料之間有幾處不一致。
隨後微軟團隊又重新分析了現存的所有原始資料，並重建了原始實驗裝置，以重新校準電導值，結果發現並不能觀察到Majorana費米子，於是在三年後申請了撤稿。
現在微軟再次面臨著類似的質疑，不同的是此次是晶片層面的突破。
還是讓子彈再飛一會兒~
參考連結：
[1]https://x.com/satyanadella/status/1892242895094313420
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2
[3]https://www.nature.com/articles/d41586-025-00527-z
[4]https://azure.microsoft.com/en-us/blog/quantum/2025/02/19/microsoft-unveils-majorana-1-the-worlds-first-quantum-processor-powered-by-topological-qubits/
[5]https://azure.microsoft.com/en-us/blog/quantum/2023/06/21/microsoft-achieves-first-milestone-towards-a-quantum-supercomputer/
[6]https://arxiv.org/abs/2502.12252
— 完 —
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