全球首款拓撲架構量子芯片問世

微軟：量子計算將在數年內實現

來源：騰訊科技特約編譯 金鹿

美西時間2月20日，經過近20年研究，微軟于美國當地時間周三推出了其首款量子計算芯片Majorana 1。微軟表示，開發Majorana 1需要創造一種全新的物質狀態，即所謂的“拓撲體”。

眾所周知，量子計算機的核心是量子比特（qubits），這是量子計算中的信息單位，類似于今天計算機使用的二進制。問題在于，量子比特相當脆弱，并且對環境噪聲非常敏感，可能導致計算錯誤或數據丟失——對于計算機來說是毀滅性的結果。這是量子計算目前發展緩慢的核心矛盾。

而為了解決這個問題，微軟的量子芯片采用了一種全新的解決方案，通過創造所謂的“世界首個拓撲體”，得以觀察和控制馬約拉納粒子，從而產生更可靠和可擴展的量子比特。

微軟透露這種拓撲體使用砷化銦（半導體）和鋁（超導體），通過逐個原子設計和構建拓撲導體線材——所謂“量子時代的晶體管”。該公司在博文中表示：“開發用于創造奇異粒子及其相關拓撲態的合適材料難度極大，這也是大多數量子研究聚焦于其他類型量子比特的原因。”

微軟在博客中寫道，理解拓撲體物質并將其應用于量子計算芯片的制造，需要對原子精確排列材料。

微軟解釋稱，當拓撲導體線材被冷卻到接近絕對零度并通過磁場調諧時，會在兩端形成馬約拉納零能模（MZMs）。馬約拉納量子比特比其他替代品更穩定。它們快速、小巧且可以數字控制，并具有獨特的屬性，可以保護量子信息。

在Majorana 1芯片上，微軟將拓撲導體納米線連接在一起形成一個“H”， 每個單元有四個可控的馬約拉納粒子，構成一個量子比特。“H”單元可以連接，微軟已經成功將8個單元放置在一塊芯片中。通過這種方式，微軟使得量子比特能夠以數字方式進行控制，重新定義并大大簡化了量子計算的工作方式。

除了制造馬約拉納粒子外，微軟現在也具備從中測量信息的能力。微軟表示，新的測量方法可以精確到檢測超導線中十億個和十億零一個粒子之間的差異——這會告訴計算機量子比特處于什么狀態，并為量子計算奠定基礎。測量可以通過電壓脈沖開關來開啟和關閉，簡化了量子計算的過程和構建可擴展機器的物理要求。

當然，微軟最終的目標依然是在巴掌大的芯片上，放入100萬個量子比特。

微軟技術研究員克麗絲塔·斯沃爾（Krysta Svore）表示：“具有諷刺意味的是，這也正是我們需要量子計算機的原因——因為理解這些材料極其困難。而有了可擴展的量子計算機，我們將能夠預測具有更優特性的材料，從而構建下一代超越現有規模的量子計算機。”

技術專家認為，量子計算機有朝一日能夠高效解決傳統計算機難以甚至無法處理的問題。目前的計算機使用比特（bit），其狀態只能是開或關，而量子計算機使用量子比特（qubit），可以同時處于兩種狀態。

谷歌和IBM，以及規模較小的公司如IonQ和Rigetti Computing，也開發了量子處理器。

與微軟計劃通過Azure公共云提供其定制人工智能芯片Maia 100不同，Majorana 1不會向客戶開放使用。

相反，Majorana 1是微軟在廣泛物理研究基礎上，朝著實現單芯片百萬量子比特目標邁出的重要一步。

微軟沒有依賴臺積電或其他公司制造其芯片，而是選擇在美國自行生產Majorana 1的組件。這是因為目前的研究規模較小，使得自主制造成為可能。

微軟執行副總裁杰森·贊德（Jason Zander）表示：“我們希望先實現幾百個量子比特，然后再討論商業可靠性問題。”在此期間，微軟將與國家實驗室和大學合作，利用Majorana 1開展研究。

盡管目前其主要聚焦于研究，但投資者對量子計算仍然充滿興趣。2024年，IonQ股價上漲了237%，Rigetti股價漲幅接近1500%。兩家公司在去年第三季度的總收入達到1480萬美元。今年1月，微軟發布博客稱2025年是“量子計算準備年”，進一步推動了市場熱情。

微軟的Azure Quantum云服務允許開發者試驗程序和算法，并提供對IonQ和Rigetti芯片的訪問。贊德表示，微軟的量子芯片可能在2030年前通過Azure提供服務。他說：“很多人猜測，距離實現這一目標還有幾十年。但我們認為，這可能只需要幾年時間。”

量子計算可能不會作為一個獨立領域存在，而是會推動微軟其他業務的發展。例如，微軟的人工智能業務年化收入已超過130億美元。贊德表示，量子計算機可以用于構建訓練AI模型所需的數據。

他表示：“現在，你可以要求量子計算機發明一些新分子或新藥物，而這些都是以前不可能做到的事情。”

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