微软全新量子处理器曝光，可扩展至一百万个量子比特

当地时间 2 月 19 日，微软推出了 Majorana 1，这是全球首款基于新型拓扑核心架构的量子芯片。微软预计这种架构将使量子计算机能够在数年内（而非数十年）解决有实际意义的、工业规模的问题。

微软声称，它利用了全球首个拓扑导体。这是一种突破性材料，能够“观测和控制马约拉纳（Majorana）粒子”，从而能够生成更可靠、更可扩展的量子位，而量子位正是量子计算机的基本构建单元。但这种说法的真实性存疑。针对微软发表在《自然》上的论文，一位审稿人表示：“这项研究让人惊艳的地方在于，这种基于干涉测量的单次测量方式，能够成功读取量子比特的奇偶性。更令人惊讶的是，它在一个具有挑战性的体系结构中也能奏效，而这个体系结构未来还能用于验证拓扑量子计算中的‘融合规则’。”

微软表示，正如半导体的发明使当今的智能手机、计算机和电子设备成为可能一样，拓扑导体以及由其实现的新型芯片为开发量子系统提供了一条途径。这些量子系统能够扩展至一百万个量子比特，并且有能力解决最为复杂的工业和社会问题。

微软的研究人员切坦·奈亚克（Chetan Nayak）说：“我们退后一步思考：‘我们需要为量子时代发明晶体管，它必须具备哪些特性？’正是这种理念指引我们取得突破——通过新型材料堆栈中独特的组合方式、卓越品质与关键细节，我们成功开发出一种新型量子位，并最终构建出完整的量子架构。”

微软表示，用于开发 Majorana 1 处理器的这种新架构为在单颗芯片上集成一百万个量子比特提供了一条清晰的路径，而这颗芯片的大小能够轻松握于掌心。对于量子计算机而言，实现这一突破至关重要，它将使量子计算机具备交付变革性的解决方案，例如将微塑料分解为无害副产物，或者发明可用于建筑、制造或医疗保健领域的自修复材料。而在此前，即便全球所有计算机协同运算，都无法达到一颗百万量子比特量子计算机所能实现的运算能力。

奈亚克说：“无论你在量子空间做什么，都需要有一条通往 100 万个量子比特的路径。如果没有，在达到解决激励我们的真正重要问题的规模之前，你就会碰壁。（而）我们实际上已经找到了一条通往一百万的道路。”

拓扑导体（或称拓扑超导体）是一类特殊的材料，它能够创造一种全新的物质状态——既不是固态、液态或气态，而是拓扑态。这种拓扑态被用来制造更为稳定的量子比特，这种量子比特运行速度快、体积小，并且能够实现数字化控制，无需像当前其他替代方案那样做出权衡取舍。在《自然》杂志的相关论文上，该团队概述了他们创造出拓扑量子比特奇异的量子特性、以及能够精确测量这些特性的过程，而这是实现实用型计算的一个关键步骤。

这一突破需要开发一种由砷化铟和铝制成的全新材料堆，其中大部分是微软逐个原子设计和制造的。微软表示，其目标是诱导出一种名为马约拉纳的新型量子粒子，并利用它们的独特性质，推动量子计算技术迈向新的前沿领域。

驱动 Majorana 1 的全球首个拓扑核心在设计上具有较好的可靠性，在硬件层面融入了抗误差功能，使其更加稳定。具有商业意义的应用还需要对一百万个量子比特进行数万亿次运算，而目前的方法依赖于对每个量子比特进行精细调整的模拟控制，这超出了现有方法的承受范围。微软团队的新测量方法使量子比特能够进行数字化控制，从而重新定义并大大简化了量子计算的工作原理。

这一进展验证了微软多年前选择追求拓扑量子比特设计的正确性——这是一项高风险、高回报的科学和工程挑战，现在它已经开始取得回报。在本次成果中，该公司已经在一片芯片上放置了八个拓扑量子比特，该芯片旨在扩展至一百万个量子比特。

除了自行研发量子硬件外，微软还与量子计算公司 Quantinuum 和 Atom Computing 合作，利用当前的量子比特取得了科学和工程方面的突破，这其中就包括微软于 2024 年宣布推出的业界首个可靠的量子计算机。

这类机器为发展量子技能、构建混合应用以及推动新发现提供了重要机遇，尤其是在人工智能、与由更多可靠量子比特驱动的新型量子系统相结合之际。在本次成果中，微软团队提供了一套集成式解决方案，使用户能够利用该公司的人工智能技术、高性能计算和量子平台来推进科学发现。

但要实现量子计算的下一个里程碑，需要一种能够提供百万个或更多量子比特，并能达到每秒万亿次快速可靠操作的量子架构。微软表示本次成果将使这一目标在几年内实现。

因为它们能够利用量子力学以惊人的精度在数学上描绘自然界的行为方式——从化学反应到分子相互作用和酶能量。研究人员表示，百万量子比特的机器应该能够解决化学、材料科学和其他行业中利用传统计算机无法准确计算的某些问题。

例如，它们有助于解决材料为何会腐蚀或出现裂缝这一棘手的化学问题。这可能会促使研发出能够修复桥梁或飞机部件上的裂缝、破碎的手机屏幕或刮花的汽车车门等问题的自修复材料。

由于塑料种类繁多，目前还不可能找到一种通用的催化剂来分解它们，这对清理微塑料或解决碳污染尤为重要。量子计算可以计算这种催化剂的性质，将污染物分解成有价值的副产品，以及能够开发无毒的替代品。

酶是一种生物催化剂，只有量子计算才能提供对其行为的精确计算，进而让酶可以更有效地应用于医疗保健和农业。这可能会帮助消除全球饥饿，比如通过提高土壤肥力来提高产量，或者促进恶劣气候条件下粮食的可持续生长。

最重要的是，量子计算能够让工程师、科学家、企业和其他人员一次性就把东西设计好，这对从医疗保健到产品开发等各个方面都将是变革性的。量子计算的强大能力与人工智能工具相结合，将使人们能够使用通俗易懂的语言描述他们想要创造的新材料或分子，然后立即得到一个切实可行的答案，从而无需猜测或进行多年的反复试验。

无论制造任何产品，人们都能够一次性完美地设计出来，它会直接给你答案。量子计算机教会人工智能自然的语言，这样以来人工智能就能直接告诉你制作你想要的东西的配方。

劣势在于、或者说至少曾经存在这样的劣势，此前微软试图使用的名为马约拉纳的奇异粒子从未被发现或制造出来。它们在自然界中并不存在，只有在磁场和超导体的作用下才能被诱导产生。而开发合适的材料来创造这些奇异粒子及其相关的拓扑态物质难度极大，这也是此前大多数量子研究工作聚焦于其他类型量子比特的原因。

《自然》杂志的这篇论文标志着本次成果已经得到同行评审的确认，即微软不仅能够创造马约拉纳粒子，帮助保护量子信息免受随机干扰，而且还可以使用微波可靠地测量这些信息。

马约拉纳粒子能够隐藏量子信息，这使得量子信息更为稳健，但也更难进行测量。微软团队的新测量方法极为精确，它能够在超导导线中检测出十亿个电子和十亿零一个电子之间的差异，这能揭示计算机量子比特所处的状态，从而为量子计算奠定基础。

这些测量能够通过电压脉冲来开启和关闭，就像拨动电灯开关一样，而不必针对每个单独的量子比特去精细调节旋钮。这种更简单的、能够实现数字化控制的测量方法简化了量子计算过程，也降低了构建可扩展机器所需的物理条件。

微软的拓扑量子比特因其尺寸方面的优势而优于其他量子比特。即便对于如此微小的东西也存在一个“恰到好处”的区域：量子比特太小的话，很难为其铺设控制线路；量子比特太大的话，就需要一台巨大的机器。若要为这类量子比特添加个性化控制技术，那就得建造一座如同飞机场或足球场那般庞大且不切实际的计算机。

微软的量子芯片 Majorana 1 包含量子比特和周围的控制电子设备，可以放在手掌中，整齐地安装在量子计算机中，从而轻松部署在 Azure 数据中心内。研究人员表示，发现一种新的物质状态是一回事，利用它大规模地重新思考量子计算则是另一回事。

微软的拓扑量子比特架构由铝制纳米线连接而成，形成字母“H”的形状。每个“H”都有四个可控的 Majoranas，并构成一个量子比特。这些“H”形结构还能够相互连接，并像众多瓷砖一样在芯片上布局排列。

微软的研究人员表示：“这个过程比较复杂，因为我们需要展示一种新的物质状态才能实现这一目标，但在此之后就相对简单了，它可以像瓷砖一样进行布局排列。这种架构更为简单，有望为扩大规模提供一条更快的路径。”

对于 Majorana 1，微软将其宣传为“世界上第一款采用新拓扑核心架构的量子芯片”，这虽然是基于其研究进展的，但它的表述方式是经过精心设计的，目的是塑造自己在量子计算领域的领先地位。从科学角度来看，他们还不能证明其量子芯片存在拓扑超导体（马约拉纳零模），也尚未完全证明他们的量子比特是真正的拓扑量子比特。很显然，微软的出发点是抢占商业和技术战略先机，他们正在构建一个围绕拓扑量子计算的完整生态，并寄希望在未来几年内展示更明确的实验成果。

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2