微軟今天推出了一款革命性的新量子晶片——Majorana 1，據稱它將縮短實現實用容錯計算所需的等待時間，從幾十年縮短到幾年。這款新晶片以難以捉摸的準粒子（Majorana）命名，而這種準粒子的存在經常受到質疑。它具有許多獨特的優勢，包括速度、尺寸以及固有的抗噪聲誤差能力。

微軟稱這款新裝置為“世界上第一個拓撲導體，這是一種突破性的材料，可以觀察和控制馬約拉納粒子，從而產生更可靠、更可擴充套件的量子位元，而量子位元是量子計算機的基石。”微軟表示，在單個Majorana晶片上實現一百萬個量子位元是可能的。

大約 17 年來，儘管業界對此持懷疑態度，但微軟一直在研究神秘的馬約拉納粒子。今天的成果代表著其高風險高回報專案的回報，或許也為大規模容錯量子計算提供了一條更清晰的道路。

技術研究員兼量子硬體公司副總裁 Chetan Nayak 發表了一篇部落格，討論了這項工作和新裝置。他特別指出了新進展：

“今天的所有公告都建立在我們團隊最近的突破之上：世界上第一個拓撲導體。這種革命性的材料使我們能夠創造拓撲超導性，這是一種以前只存在於理論中的新物質狀態，”納亞克寫道。“這一進步源於微軟在設計和製造柵極定義裝置方面的創新，這些裝置結合了半導體砷化銦和超導體鋁。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 Majorana Zero Modes (MZM)。

“近一個世紀以來，這些準粒子只存在於教科書中。現在，我們可以根據需要在拓撲導體中建立和控制它們。MZM 是我們量子位元的構建塊，透過‘奇偶性’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。我們的拓撲導體不同：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，”Nayak 寫道。

大多數量子觀察家都知道，Majorana是一種準粒子或一種特殊的物質狀態，它天生就能夠抵抗導致量子計算機出錯的環境噪聲。基於Majorana的量子位元被稱為拓撲量子位元，廣義上講，這意味著資訊（零和一）在空間中分散（交織），使它們不易受到噪聲（熱量、電磁干擾等）的影響。

毫無疑問，Majorana 概念可能會令人困惑。微軟已經完成了一項出色的工作，他們構建了一個微型網站，其中包含各種材料（部落格、新聞稿、影片）以幫助澄清問題。對於技術性更強的讀者，本文末尾附有兩篇論文的摘要：1)使用拓撲量子位陣列實現容錯量子計算的路線圖，以及 2) InAs-Al 混合裝置中的干涉單次奇偶校驗測量。

為了讓大家大致瞭解微軟的計劃，下面是路線圖的摘錄：“我們的路線圖涵蓋四代裝置：單量子位元裝置，可實現基於測量的量子位元基準測試協議；雙量子位元裝置，使用基於測量的編織來執行單量子位元 Clifford 操作；八量子位元裝置，可用於顯示在邏輯量子位元上而不是直接在物理量子位元上執行雙量子位元操作時的改進；拓撲量子位元陣列，支援在兩個邏輯量子位元上進行晶格手術演示。”

創造和控制馬約拉納粒子只是挑戰的一部分。開發一種測量和讀出量子位元的實用方法也具有挑戰性。微軟研究人員開發了一種干涉測量方法，該方法在《自然》雜誌的論文中進行了描述，可以進行單次費米子奇偶校驗測量。

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。

Nayak 寫道：“傳統量子計算透過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，它必須依靠這些同樣敏感的操作來檢測和糾正錯誤。

“我們基於測量的方法大大簡化了 QEC。我們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。”

微軟顯然對基於超導量子位元的拓撲量子計算機寄予厚望。所有模式都有優點和缺點。例如，捕獲離子和中性原子具有較長的相干時間，但被認為執行緩慢。Transmon 超導量子位元非常快，但很容易受到噪聲的影響。

微軟認為，其拓撲導體是一種具有可擴充套件性、速度和抗錯誤能力的“金髮姑娘”方法。

研究人員在路線圖論文中寫道：“對於具有數百甚至數千個邏輯量子位元、能夠解決商業相關問題的實用級量子計算機來說，這裡列出的量子位元方法具有幾個關鍵優勢。首先，單個量子位元的面積約為 5 µm× 3 µm，因此可以在單個晶圓上安裝數百萬個量子位元。其次，物理操作可以在µs時間尺度上執行，從而將實用級計算的執行時間縮短至數小時至數天。第三，拓撲保護可以系統性地、指數級地減少無量綱引數比中的許多錯誤機制，例如溫度與拓撲間隙 ∆ /k B T 的關係以及拓撲相干長度 L/ξ 之間的線長。”

時間會證明一切。

Majorana 1 裝置仍是一種研究裝置。在回覆電子郵件詢問時，微軟表示：“我們認為可擴充套件的機器將在幾年內而不是幾十年內問世。我們還致力於及時公開發表我們在此過程中的研究成果，同時保護公司的智慧財產權。今天，我們達到了量子路線圖的第二個里程碑，展示了世界上第一個拓撲量子位元。我們已經在一個設計為容納一百萬個拓撲量子位元的晶片上放置了八個拓撲量子位元。”

目前，量子計算發展領域充滿了強勁、多樣化的努力，很難在提供大規模、實用的容錯量子計算機的競賽中阻礙參與者。

微軟並不是唯一一家追求拓撲量子位元的公司。囚禁離子量子計算專家Quantinuum報告稱，該公司將在 2023 年建立拓撲量子位元。此外，橡樹嶺國家實驗室的量子科學中心 ( QSC ) 是美國《量子倡議法案》下設立的五個量子資訊研究中心之一，其核心任務是開發能夠支援拓撲量子計算的材料。

QSC 主任 Travis Humble 表示：“微軟的成果是量子計算領域的重要進展。它們展示了拓撲超導奈米線設計中奇偶校驗的測量結果。這是驗證拓撲保護的第一步，應該開展更多工作來證明預期的非阿貝爾統計。我認為最新成果將增強拓撲量子計算領域的努力。”

重要的是要記住，量子糾錯仍然是需要的，微軟在其路線圖中闡明瞭在其架構上實現 QEC 的方法。

[2025 年 2 月 19 日下午 4:12 更新]在今天宣佈這一訊息的前一週，Hyperion Research 高階副總裁兼首席量子分析師 Bob Sorensen 剛剛拜訪了微軟，他告訴 HPCwire：“與 Atom Computing、Quantinuum 和 Photonic 等公司之間一些較為放任的關係相比，這是微軟真正的草根努力。他們的內部開發實驗室令人印象深刻，能夠處理設計和構建有效 QC 包所需的大部分生產工作。

“從根本上講，這是一個有趣的架構，與現有的任何架構都不同，而且確實顯示出一些真正的前景。關鍵在於，微軟認為，既然他們現在有了一個量子位元，那麼擴充套件到一百萬個量子位元的其餘問題就不會太難解決，儘管他們沒有宣佈時間框架。

“最終，這裡最大的收穫是，他們並不急於加入競爭，而是樂於按照自己的節奏前進，等待他們真正展示出真正的量子能力。這裡的環境比我在其他 QC 商店看到的要稍微不那麼忙碌。我想這是因為他們對長期資金流充滿信心。”

最後，值得注意的是，Majorana 1 及其相關研究只是微軟量子計算活動組合的一部分，其中大部分都歸屬於Azure Quantum旗下。最近，微軟宣佈計劃推出一款採用 Atom Computing 的容錯計算機，該計算機使用中性原子量子位元，並將利用微軟的虛擬化邏輯量子位元功能。

我們描述了一個具體的裝置路線圖，該路線圖基於抗噪聲、拓撲保護的基於 Majorana 的量子位元，可實現容錯量子計算架構。我們的路線圖涵蓋了四代裝置：單量子位元裝置，可實現基於測量的量子位元基準測試協議；雙量子位元裝置，使用基於測量的編織來執行單量子位元 Clifford 操作；八量子位元裝置，可用於展示在邏輯量子位元上而不是直接在物理量子位元上執行雙量子位元操作時的改進；拓撲量子位元陣列，支援在兩個邏輯量子位元上進行晶格手術演示。實現此路徑的裝置需要支援拓撲相的超導體-半導體異質結構、量子點和這些量子點之間的耦合，這些耦合可以為干涉測量建立適當的環路，以及可以執行快速、低誤差單次測量的微波讀出系統。我們描述了這些量子位元裝置的關鍵設計元件，以及用於演示單量子位元基準測試、Clifford 門執行、量子誤差檢測和量子誤差校正的相關協議，這些協議與更傳統的量子位元有很大不同。最後，我們評論了這種架構對實用級量子計算的影響和優勢。

非阿貝爾任意子的融合是僅測量拓撲量子計算的基本操作。在一維拓撲超導體中，融合相當於確定馬約拉納零模式的共享費米子奇偶性。在這裡，我們介紹了一種與未來融合規則測試相容的裝置架構。我們利用柵極定義的超導奈米線對砷化銦-鋁異質結構中的費米子奇偶性進行了單次干涉測量。干涉儀是透過將鄰近的奈米線與量子點進行隧道耦合而形成的。奈米線導致這些量子點的量子電容發生高達 1 fF 的狀態相關偏移。我們的量子電容測量顯示通量 h/2e 週期雙峰性，在最佳通量值下，信噪比為 1/3.6 µs。從量子電容測量的時間軌跡中，我們提取了在平面磁場約為 2 T 時兩個關聯態的停留時間超過 1 毫秒。我們從拓撲平凡和非平凡起源的角度討論了測量結果的解釋。較大的電容偏移和較長的中毒時間使得奇偶校驗測量的分配錯誤機率為 1%。

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