量子計算領域邁出了劃時代的一步？！
當地時間 2 月 19 日，微軟重磅推出全球首款基於新型拓撲核心架構的量子晶片 Majorana 1，在量子計算領域投下一顆 “重磅炸彈”，引發學界與產業界高度關注。
微軟聲稱，Majorana 1 的核心是全球首個拓撲超導體。這一突破性材料能 “觀測和控制馬約拉納粒子”，進而生成更可靠、可擴充套件的量子位元。量子位元作為量子計算機的基本單元，其效能提升對量子計算意義非凡。利用拓撲超導體，有望打造出執行速度快、體積小且可數字化控制的量子位元，克服傳統方案的諸多侷限。研究人員切坦・奈亞克表示，團隊受 “為量子時代發明電晶體” 的理念驅動，透過獨特的材料組合與設計，成功構建出這一新型量子架構。
按照微軟的設想，該架構具備驚人的擴充套件潛力。比如，在材料科學領域，助力研發自修復材料，解決橋樑、飛機部件等的裂縫修復難題；在化學領域，計算分解微塑膠的催化劑性質，推動環保程序；在醫療保健和農業方面，精確計算酶的行為，提高土壤肥力、促進糧食可持續生長，甚至有望緩解全球飢餓問題。而且，結合人工智慧，量子計算能讓設計環節變得更加高效，實現從概念到方案的快速轉化。
不過，微軟的這一成果也面臨一些質疑。雖然《自然》雜誌已發表相關論文，但有審稿人指出，目前微軟還無法從科學層面證明其量子晶片存在拓撲超導體（馬約拉納零模），也不能完全證實所用量子位元是真正的拓撲量子位元。
微軟釋出 Majorana 1 晶片，是量子計算領域一次大膽的探索與嘗試。它帶來無限可能的同時，也伴隨著諸多不確定性，其後續發展值得持續關注。以下，Enjoy：
來源丨DeepTech深科技
（來源：微軟）
微軟聲稱，它利用了全球首個拓撲導體。這是一種突破性材料，能夠“觀測和控制馬約拉納（Majorana）粒子”，從而能夠生成更可靠、更可擴充套件的量子位，而量子位正是量子計算機的基本構建單元。但這種說法的真實性存疑。
針對微軟發表在《自然》上的論文，一位審稿人表示：“這項研究讓人驚豔的地方在於，這種基於干涉測量的單次測量方式，能夠成功讀取量子位元的奇偶性。更令人驚訝的是，它在一個具有挑戰性的體系結構中也能奏效，而這個體系結構未來還能用於驗證拓撲量子計算中的‘融合規則’。”
微軟表示，正如半導體的發明使當今的智慧手機、計算機和電子裝置成為可能一樣，拓撲導體以及由其實現的新型晶片為開發量子系統提供了一條途徑。這些量子系統能夠擴充套件至一百萬個量子位元，並且有能力解決最為複雜的工業和社會問題。
微軟的研究人員切坦·奈亞克（Chetan Nayak）說：“我們退後一步思考：‘我們需要為量子時代發明電晶體，它必須具備哪些特性？’正是這種理念指引我們取得突破——透過新型材料堆疊中獨特的組合方式、卓越品質與關鍵細節，我們成功開發出一種新型量子位，並最終構建出完整的量子架構。”
微軟表示，用於開發 Majorana 1 處理器的這種新架構為在單顆晶片上整合一百萬個量子位元提供了一條清晰的路徑，而這顆晶片的大小能夠輕鬆握於掌心。對於量子計算機而言，實現這一突破至關重要，它將使量子計算機具備交付變革性的解決方案，例如將微塑膠分解為無害副產物，或者發明可用於建築、製造或醫療保健領域的自修復材料。而在此前，即便全球所有計算機協同運算，都無法達到一顆百萬量子位元量子計算機所能實現的運算能力。
奈亞克說：“無論你在量子空間做什麼，都需要有一條通往 100 萬個量子位元的路徑。如果沒有，在達到解決激勵我們的真正重要問題的規模之前，你就會碰壁。（而）我們實際上已經找到了一條通往一百萬的道路。”
拓撲導體（或稱拓撲超導體）是一類特殊的材料，它能夠創造一種全新的物質狀態——既不是固態、液態或氣態，而是拓撲態。這種拓撲態被用來製造更為穩定的量子位元，這種量子位元執行速度快、體積小，並且能夠實現數字化控制，無需像當前其他替代方案那樣做出權衡取捨。在《自然》雜誌的相關論文上，該團隊概述了他們創造出拓撲量子位元奇異的量子特性、以及能夠精確測量這些特性的過程，而這是實現實用型計算的一個關鍵步驟。
這一突破需要開發一種由砷化銦和鋁製成的全新材料堆，其中大部分是微軟逐個原子設計和製造的。微軟表示，其目標是誘匯出一種名為馬約拉納的新型量子粒子，並利用它們的獨特性質，推動量子計算技術邁向新的前沿領域。
驅動 Majorana 1 的全球首個拓撲核心在設計上具有較好的可靠性，在硬體層面融入了抗誤差功能，使其更加穩定。具有商業意義的應用還需要對一百萬個量子位元進行數萬億次運算，而目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。微軟團隊的新測量方法使量子位元能夠進行數字化控制，從而重新定義並大大簡化了量子計算的工作原理。
這一進展驗證了微軟多年前選擇追求拓撲量子位元設計的正確性——這是一項高風險、高回報的科學和工程挑戰，現在它已經開始取得回報。在本次成果中，該公司已經在一片晶片上放置了八個拓撲量子位元，該晶片旨在擴充套件至一百萬個量子位元。
除了自行研發量子硬體外，微軟還與量子計算公司 Quantinuum 和 Atom Computing 合作，利用當前的量子位元取得了科學和工程方面的突破，這其中就包括微軟於 2024 年宣佈推出的業界首個可靠的量子計算機。
這類機器為發展量子技能、構建混合應用以及推動新發現提供了重要機遇，尤其是在人工智慧、與由更多可靠量子位元驅動的新型量子系統相結合之際。在本次成果中，微軟團隊提供了一套整合式解決方案，使使用者能夠利用該公司的人工智慧技術、高效能計算和量子平臺來推進科學發現。
但要實現量子計算的下一個里程碑，需要一種能夠提供百萬個或更多量子位元，並能達到每秒萬億次快速可靠操作的量子架構。微軟表示本次成果將使這一目標在幾年內實現。
因為它們能夠利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。研究人員表示，百萬量子位元的機器應該能夠解決化學、材料科學和其他行業中利用傳統計算機無法準確計算的某些問題。
例如，它們有助於解決材料為何會腐蝕或出現裂縫這一棘手的化學問題。這可能會促使研發出能夠修復橋樑或飛機部件上的裂縫、破碎的手機螢幕或刮花的汽車車門等問題的自修復材料。
由於塑膠種類繁多，目前還不可能找到一種通用的催化劑來分解它們，這對清理微塑膠或解決碳汙染尤為重要。量子計算可以計算這種催化劑的性質，將汙染物分解成有價值的副產品，以及能夠開發無毒的替代品。
酶是一種生物催化劑，只有量子計算才能提供對其行為的精確計算，進而讓酶可以更有效地應用於醫療保健和農業。這可能會幫助消除全球飢餓，比如透過提高土壤肥力來提高產量，或者促進惡劣氣候條件下糧食的可持續生長。
最重要的是，量子計算能夠讓工程師、科學家、企業和其他人員一次性就把東西設計好，這對從醫療保健到產品開發等各個方面都將是變革性的。量子計算的強大能力與人工智慧工具相結合，將使人們能夠使用通俗易懂的語言描述他們想要創造的新材料或分子，然後立即得到一個切實可行的答案，從而無需猜測或進行多年的反覆試驗。
無論製造任何產品，人們都能夠一次性完美地設計出來，它會直接給你答案。量子計算機教會人工智慧自然的語言，這樣以來人工智慧就能直接告訴你製作你想要的東西的配方。
劣勢在於、或者說至少曾經存在這樣的劣勢，此前微軟試圖使用的名為馬約拉納的奇異粒子從未被發現或製造出來。它們在自然界中並不存在，只有在磁場和超導體的作用下才能被誘導產生。而開發合適的材料來創造這些奇異粒子及其相關的拓撲態物質難度極大，這也是此前大多數量子研究工作聚焦於其他型別量子位元的原因。
（來源：微軟）
《自然》雜誌的這篇論文標誌著本次成果已經得到同行評審的確認，即微軟不僅能夠創造馬約拉納粒子，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這些資訊。
馬約拉納粒子能夠隱藏量子資訊，這使得量子資訊更為穩健，但也更難進行測量。微軟團隊的新測量方法極為精確，它能夠在超導導線中檢測出十億個電子和十億零一個電子之間的差異，這能揭示計算機量子位元所處的狀態，從而為量子計算奠定基礎。
這些測量能夠透過電壓脈衝來開啟和關閉，就像撥動電燈開關一樣，而不必針對每個單獨的量子位元去精細調節旋鈕。這種更簡單的、能夠實現數字化控制的測量方法簡化了量子計算過程，也降低了構建可擴充套件機器所需的物理條件。
微軟的拓撲量子位元因其尺寸方面的優勢而優於其他量子位元。即便對於如此微小的東西也存在一個“恰到好處”的區域：量子位元太小的話，很難為其鋪設控制線路；量子位元太大的話，就需要一臺巨大的機器。若要為這類量子位元添加個性化控制技術，那就得建造一座如同飛機場或足球場那般龐大且不切實際的計算機。
微軟的量子晶片 Majorana 1 包含量子位元和周圍的控制電子裝置，可以放在手掌中，整齊地安裝在量子計算機中，從而輕鬆部署在 Azure 資料中心內。研究人員表示，發現一種新的物質狀態是一回事，利用它大規模地重新思考量子計算則是另一回事。
微軟的拓撲量子位元架構由鋁製奈米線連線而成，形成字母“H”的形狀。每個“H”都有四個可控的 Majoranas，並構成一個量子位元。這些“H”形結構還能夠相互連線，並像眾多瓷磚一樣在晶片上佈局排列。
微軟的研究人員表示：“這個過程比較複雜，因為我們需要展示一種新的物質狀態才能實現這一目標，但在此之後就相對簡單了，它可以像瓷磚一樣進行佈局排列。這種架構更為簡單，有望為擴大規模提供一條更快的路徑。”
對於 Majorana 1，微軟將其宣傳為“世界上第一款採用新拓撲核心架構的量子晶片”，這雖然是基於其研究進展的，但它的表述方式是經過精心設計的，目的是塑造自己在量子計算領域的領先地位。從科學角度來看，他們還不能證明其量子晶片存在拓撲超導體（馬約拉納零模），也尚未完全證明他們的量子位元是真正的拓撲量子位元。很顯然，微軟的出發點是搶佔商業和技術戰略先機，他們正在構建一個圍繞拓撲量子計算的完整生態，並寄希望在未來幾年內展示更明確的實驗成果。
參考資料：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2
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