量子計算里程碑！微軟單晶片可百萬量子位元，Nature研究爆火
机器之心發表於2025-02-20
重大突破！本週四，微軟宣佈造出了一款前所未有的量子計算晶片 Majorana 1，並稱可以在單塊晶片上讓數百萬量子位元協同工作，解決之前無法的解決的問題，從新藥物研發到創造革命性的新材料。微軟 CEO 薩提亞・納德拉為此專門撰寫了一條長推文，短時間內就已經收穫了上千萬閱讀量，其中提到 Majorana 1 是首款建立在拓撲核心（topological core）上的量子處理單元，而這一成就的基礎是他們創造的「一種全新的物質狀態」，而這又解鎖了一類新材料。他們稱之為 topoconductor，這裡譯為「拓撲導體」。納德拉表示，使用拓撲導體可以製造出更快、更小、更可靠的量子位元。其尺寸可小至百分之一毫米，這意味著我們可以在較小的體積內整合大量量子位元。納德拉寫到：「我們相信，這一突破將使我們能在幾年內（而非像一些人預測的幾十年）創造出一臺真正有意義的量子計算機。」基於新材料和新架構，微軟已經構建了世界上首個基於拓撲量子位元的容錯原型（FTP）。以下為微軟釋出的宣傳影片：
這一訊息可說是讓整個網際網路都沸騰了，正如去年底谷歌宣佈了量子晶片 Willow 時一樣 —— 谷歌稱 Willow 能在 5 分鐘內完成超級計算機 10²⁵ 年才能完成的計算，參閱報導《5 分鐘完成最強超算 10²⁵年工作，谷歌量子晶片重大突破，馬斯克、奧特曼齊祝賀》。Majorana 1 是微軟歷時 17 年，透過持續研究量子計算新材料和架構獲得的成果。微軟認為，該晶片讓量子計算機大規模應用成為了可能。量子計算機的核心是量子位元，它是量子計算中的資訊單位，就像當今計算機使用的二極體一樣。多年來，IBM、微軟、谷歌等公司一直試圖讓量子位元像二進位制位元一樣可靠，但因為量子位元更加脆弱，對噪音更敏感，容易產生誤差或導致資料丟失。基於全新的理念，Majorana 1 處理器有望將 100 萬個量子位元整合到一個晶片上，該晶片與臺式電腦和伺服器中的 CPU 差不多大。微軟沒有在新晶片中使用電子進行計算，而是使用了理論物理學家埃託雷・馬約拉納（Ettore Majorana）在 1937 年提出的馬約拉納粒子。微軟透過創造所謂的「世界上第一個拓撲導體」達到了這一里程碑。拓撲導體是一種新型材料，不僅可以觀察，還可以控制馬約拉納粒子，以創造更可靠的量子位元。微軟的工作登上了最新一期的《自然》雜誌，其中概述了研究成果。微軟幫助創造了一種由砷化銦和鋁製成的新材料，並將八個拓撲量子位元放在單塊晶片上，目標是最終能擴充套件到 100 萬個。- 論文標題：Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices
- 論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2
不僅如此，微軟還發布了一份實現「可靠量子計算」的路線圖，稱這是他們實現「從單量子位元裝置到能夠進行量子糾錯的陣列的路徑。」- 路線圖地址：https://arxiv.org/pdf/2502.12252
一個擁有 100 萬個量子位元的晶片可以執行更精確的模擬，幫助提高人類對自然世界的理解，並在醫學和材料科學領域取得突破。多年來，這一直是我們對於量子計算的願景，而微軟相信其拓撲導體或拓撲超導體是下一個重大突破。微軟量子公司副總裁 Zulfi Alam 表示：「我們在過去 17 年裡一直在研究這個專案。這是公司裡執行時間最長的研究專案。17 年後，我們展示的成果不僅令人難以置信，而且真實存在。它們將從根本上重新定義量子計算下一階段的發展方式。」微軟表示，這一切突破的基礎都可以歸因於一種新材料：拓撲導體（topoconductor）。基於這種革命性的新材料，微軟打造出了拓撲超導體（topological superconductivity）—— 這種物質狀態之前只存在於理論之中。微軟部落格寫到：「這一進步源於微軟在設計和製造柵極定義裝置（gate-defined device）方面的創新，這些裝置結合了砷化銦（一種半導體）和鋁（一種超導體）。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）。」過去近百年的時間裡，MZM 這些準粒子只存在於教科書中。現在，微軟可以根據需要在拓撲導體中建立和控制它們。MZM 是微軟量子位元的基本模組，其能透過「奇偶校驗」儲存量子資訊 —— 看這些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會無阻力地移動。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。微軟的拓撲導體則不同：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。- 使用數字開關將奈米線的兩端耦合到量子點，量子點是一種可以儲存電荷的微型半導體器件。
- 這種連線增加了點保持電荷的能力。至關重要的是，確切的增加量取決於奈米線的奇偶性。
- 使用微波測量這種變化。這些點保持電荷的能力決定了微波從量子點反射的方式。因此，它們會帶著奈米線量子態的印記返回。
透過設計，微軟讓這些變化變得足夠大，從而一次測量就能得到可靠的結果。微軟表示，目前初始的測量錯誤機率為 1%，但他們已經確定了可以大幅降低錯誤機率的路徑。這種讀出技術使量子計算的方法從根本上發生了變化，即可使用測量值進行計算。傳統量子計算是以精確的角度旋轉量子態，需要為每個量子位元定製複雜的模擬控制訊號。這會使量子誤差校正 （QEC）變得複雜，因為量子誤差校正必須依靠這些相同的敏感操作來檢測和糾正錯誤。微軟新提出的基於測量的方法可以極大地簡化 QEC—— 可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。這種數字控制可實現對大量量子位元的管理，從而為實際應用奠定基礎。接下來看看微軟是怎麼將上面介紹的物理可能性變成工程實踐的。前面已經提到，微軟量子計算的核心構建模組是 MZM 編碼、拓撲保護、透過測量進行處理的量子資訊。接下來，就需要基於單量子位元裝置（稱為 tetron）製造一個可擴充套件的架構，如下圖所示。這個量子位元的一個基本操作是測量 tetron 中的一個拓撲奈米線的奇偶性。使用 tetron 實現容錯量子計算的路線圖。第一幅圖展示了一個單量子位元裝置。tetron 由兩條平行的拓撲線（藍色）組成，兩端各有一個 MZM（橙色點），由垂直的普通超導線（淺藍色）連線。下一幅圖展示了一個支援基於測量的 braiding 變換的雙量子位元裝置。第三幅圖展示了一個 4×2 tetron 陣列，支援在兩個邏輯量子位元上進行量子誤差檢測演示。這些演示預示著向量子誤差校正方向的進展是可行，例如右圖所示的裝置（27×13 tetron 陣列）。另一項關鍵操作是將量子位元置於奇偶性疊加態中。這也是透過對量子點進行微波反射測量來執行的，但測量配置不同：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，這裡演示了基於測量的控制。微軟表示這是開啟其路線圖下一步的關鍵里程碑。微軟表示：「我們的路線圖正系統地朝著可擴充套件 QEC 邁進。下一步將使用 4×2 四元組陣列。我們將首先使用兩個量子位元子集來演示糾纏和基於測量的 braiding 變換。然後，我們將使用整個八量子位元陣列在兩個邏輯量子位元上實現量子錯誤檢測。」拓撲量子位元的內建錯誤保護簡化了 QEC。此外，與之前最先進的方法相比，微軟的自定義 QEC 程式碼可將開銷減少大約十倍。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進行構建，並有可能以更快的時鐘速度執行。微軟表示，在很多科研領域上，當今最強大的超級計算機也無法完成的任務可以被百萬量子位元規模上的量子計算解決，比如能修復橋樑裂縫的自愈材料、可持續農業以及更安全的化學材料探索。如今需要花費數十億美元進行詳盡的實驗搜尋和實驗室實驗的內容，未來可能透過量子計算機的計算和模擬來快速找到。值得一提的是，美國國防高階研究計劃局（DARPA）現已選擇微軟作為兩家公司之一，進入其「實用規模量子計算的未探索系統（US2QC）」專案的最後階段。微軟現在將「在幾年內」建造一臺基於拓撲量子位元的容錯原型量子計算機。百萬量子位元的量子計算機不僅僅會是一個里程碑，也將成為解決人類前沿研究最困難問題的門戶。微軟認為，在基礎技術得到驗證後，通往實用量子計算的道路已經變得清晰。https://www.theverge.com/news/614205/microsoft-quantum-computing-majorana-1-processorhttps://azure.microsoft.com/en-us/blog/quantum/2025/02/19/microsoft-unveils-majorana-1-the-worlds-first-quantum-processor-powered-by-topological-qubits/https://news.microsoft.com/source/features/ai/microsofts-majorana-1-chip-carves-new-path-for-quantum-computing/https://x.com/Microsoft/status/1892245131895423158 https://x.com/satyanadella/status/1892242895094313420 
