信息技術(shù)發(fā)展的里程碑：微軟推出Majorana量子處理器

吳國(guó)發(fā)

2025年3月3日

吳國(guó)發(fā)按：這是一篇理論性很強(qiáng)的重要文章，具有量子物理學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)基本知識(shí)的人才能讀懂全文。其他人也可以閱讀、瀏覽該文，以便知道信息技術(shù)的新里程碑和量子計(jì)算機(jī)的新進(jìn)展。

內(nèi)容提要：2月19日，微軟公司官網(wǎng)發(fā)表文章。推出世界第一個(gè)由拓?fù)淞孔颖忍靥峁┲С值牧孔犹幚砥鱉ajorana 1。微軟在可容納100萬個(gè)量子比特的芯片上放置了8個(gè)拓?fù)淞孔颖忍亍＿@標(biāo)志著向?qū)嵱昧孔佑?jì)算機(jī)的關(guān)鍵性飛躍；是信息技術(shù)發(fā)展進(jìn)程的一個(gè)里程碑。

關(guān)鍵詞：微軟公司 量子計(jì)算機(jī) 拓?fù)鋵?dǎo)體 比特

（一）微軟宣布：Majorana 1 量子處理器問世

2024年2月19日，微軟公司官網(wǎng)（Microsoft.com）發(fā)表文章“Microsoft unveils Majorana 1, the world’s firstquantum processor powered by topological qubits”中文《微軟推出 Majorana 1，這是世界上第一個(gè)由拓?fù)淞孔颖忍靥峁┲С值牧孔犹幚砥鳌罚?jiǎn)稱《微軟推出 Majorana 1》；作者Chetan Nayak（切壇·納雅克），見參考文獻(xiàn)[1]。

Chetan Nayak是微軟公司高級(jí)研究員、主管量子硬件的副總裁。

隨后，2月22日，美國(guó)《自然新聞》網(wǎng)（NaturalNews.com）發(fā)表文章“Microsoftunveils Pentagon-backed Majorana 1quantum processor: A leap forward in quantum computing”，中文為《微軟推出五角大樓支持的Majorana1量子處理器：量子計(jì)算的躍進(jìn)》，簡(jiǎn)稱《量子計(jì)算的躍進(jìn)》，作者WillowTohi（維婁·托希）；見參考文獻(xiàn)[2]。

【注：Majorana讀音“馬覺拉納”】

文章《微軟推出 Majorana 1》說：

量子計(jì)算機(jī)有望改變科學(xué)和社會(huì)，但前提是它們必須達(dá)到曾經(jīng)看似遙不可及的規(guī)模，并且其可靠性由量子糾錯(cuò)來確保。今天，我們宣布：在實(shí)現(xiàn)有用的量子計(jì)算的道路上取得關(guān)鍵性進(jìn)展。我們從科學(xué)探索邁向了尖端技術(shù)創(chuàng)新，量子處理器Majorana 1問世。

Majorana 1由稱為拓?fù)鋵?dǎo)體的新材料制成。微軟已經(jīng)在可容納100萬個(gè)量子比特的芯片上放置了8個(gè)拓?fù)淞孔颖忍亍?strong>這標(biāo)志著向?qū)嵱昧孔佑?jì)算機(jī)的關(guān)鍵性飛躍；這是信息技術(shù)發(fā)展進(jìn)程的一個(gè)里程碑。

文章《量子計(jì)算的躍進(jìn)》介紹了Majorana 1量子處理器的技術(shù)創(chuàng)新和里程碑意義。

下面，我們?cè)敿?xì)介紹《微軟推出 Majorana 1》的內(nèi)容。筆者對(duì)原文的小標(biāo)題和段落次序做了改變。下一篇文章再詳細(xì)介紹《量子計(jì)算的躍進(jìn)》的內(nèi)容。

（二）新型材料拓?fù)鋵?dǎo)體的研制

今天的公告建立在我們團(tuán)隊(duì)最近的技術(shù)突破之上：我們研制了世界上第一個(gè)拓?fù)鋵?dǎo)體。這類 革 命 性的材料使我們能夠創(chuàng)建拓?fù)涑瑢?dǎo)性，這是一種以前只存在于理論上的新物質(zhì)狀態(tài)。

量子計(jì)算要求我們?cè)O(shè)計(jì)一種新的物質(zhì)狀態(tài)。因此，我們專門為此而設(shè)計(jì)新的物質(zhì)狀態(tài)。

新材料拓?fù)鋵?dǎo)體源于微軟（Microsoft）公司在設(shè)計(jì)和制造結(jié)合砷化銦（一種半導(dǎo)體）和鋁（一種超導(dǎo)體）的門定義器件方面的創(chuàng)新。當(dāng)冷卻到接近絕對(duì)零度（-273度）并用磁場(chǎng)調(diào)諧時(shí)，這些器件會(huì)形成拓?fù)涑瑢?dǎo)納米線，導(dǎo)線末端具有“馬約拉零模式”（Majorana Zero Mode，MZM）。

在將近一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，這些準(zhǔn)粒子只存在于教科書中。現(xiàn)在，我們可以在我們的拓?fù)鋵?dǎo)體中按需創(chuàng)建和控制它們。MZM是量子比特的構(gòu)建塊，通過“奇偶校驗(yàn)”存儲(chǔ)量子信息，無論導(dǎo)線包含偶數(shù)還是奇數(shù)個(gè)電子。在傳統(tǒng)的超導(dǎo)體中，電子結(jié)合成庫(kù)珀對(duì)并無阻力地移動(dòng)。任何不成對(duì)的電子都可以被檢測(cè)到，因?yàn)樗拇嬖谛枰~外的能量。我們的拓?fù)鋵?dǎo)體是不同的：在這里，一對(duì)MZM之間共享一個(gè)不成對(duì)的電子，使其對(duì)環(huán)境不可見。此獨(dú)特屬性可保護(hù)量子信息。

（三）讀取拓?fù)鋵?dǎo)體量子信息的方案

雖然這使得我們的拓?fù)鋵?dǎo)體成為量子比特的理想載體，但它也帶來了一個(gè)挑戰(zhàn)：我們?cè)趺醋x取完全隱藏的量子信息？我們?nèi)绾螀^(qū)分 1,000,000,000和1,000,000,001個(gè)電子？

我們針對(duì)這一測(cè)量挑戰(zhàn)的解決方案如下（參見下圖）。

下圖是微軟量子計(jì)算機(jī)讀取拓?fù)淞孔颖忍氐臓顟B(tài)：

我們使用數(shù)字開關(guān)將納米線的兩端耦合到量子點(diǎn)上。量子點(diǎn)是一種可以存儲(chǔ)電荷的微型半導(dǎo)體器件。

這種連接增加了量子點(diǎn)的充電能力。至關(guān)重要的是，確切的增加取決于納米線的奇偶性。

我們使用微波來測(cè)量這種變化。量子點(diǎn)保持電荷的能力決定了微波如何從量子點(diǎn)反射。結(jié)果，它們返回時(shí)帶有納米線量子態(tài)的印記。

我們?cè)O(shè)計(jì)了儀器，把這些變化擴(kuò)大到足夠大，可以一次性進(jìn)行可靠測(cè)量。我們最初的測(cè)量誤差概率為1%。我們已經(jīng)確定了顯著降低誤差概率的明確路徑。

（四）通過數(shù)字精度徹底改變量子控制

我們的系統(tǒng)顯示出令人印象深刻的穩(wěn)定性。外部能量（如電磁輻射）可以打破庫(kù)珀對(duì)，產(chǎn)生不成對(duì)的電子，從而將量子比特的狀態(tài)從偶數(shù)奇偶翻轉(zhuǎn)到奇數(shù)奇偶校驗(yàn)。然而，我們的結(jié)果表明，這種情況很少見，平均每毫秒只發(fā)生一次。這表明包裹我們處理器的屏蔽層可以有效地將此類輻射拒之門外。我們正在探索進(jìn)一步減少這種情況的方法。

值得注意的是，我們的讀出技術(shù)已經(jīng)非常準(zhǔn)確，這表明我們正在利用這種奇特的物質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行量子計(jì)算。

這種讀出技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種完全不同的量子計(jì)算方法——使用測(cè)量來執(zhí)行計(jì)算。

傳統(tǒng)的量子計(jì)算通過精確的角度旋轉(zhuǎn)量子態(tài)，需要為每個(gè)量子比特定制復(fù)雜的模擬控制信號(hào)。這使得量子糾錯(cuò)（quantum error correction，QEC）復(fù)雜化，它必須依靠這些相同的敏感作用來檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤。

我們基于測(cè)量的方法極大地簡(jiǎn)化了QEC。我們完全通過簡(jiǎn)單的數(shù)字脈沖激活的測(cè)量來執(zhí)行誤差校正。這些脈沖將量子點(diǎn)與納米線連接起來和斷開。

這種數(shù)字控制使管理實(shí)際應(yīng)用所需的大量的量子比特變得實(shí)用。這樣，我們就能徹底改變量子控制。

（五）從物理學(xué)突破到工程學(xué)創(chuàng)新

隨著核心構(gòu)建塊的演示——在MZM中編碼、受拓?fù)浔Ｗo(hù)并通過測(cè)量進(jìn)行處理的量子信息——我們已準(zhǔn)備好從物理學(xué)突破轉(zhuǎn)向工程學(xué)的實(shí)際實(shí)施。

下一步是圍繞稱為特子（tetron）的單量子比特設(shè)備構(gòu)建的可擴(kuò)展架構(gòu)。在公司工作站問答會(huì)議上，我們分享了演示此量子比特基本作用的數(shù)據(jù)。一個(gè)基本作用是測(cè)量 tetron 中一條拓?fù)浼{米線的奇偶性。這使用了我們?cè)凇蹲匀弧罚∟ature）雜志發(fā)表的論文中描述的相同技術(shù)。

【注：英國(guó)出版的《自然》（Nature）雜志是世界上兩個(gè)最權(quán)威的自然科學(xué)雜志之一。另一個(gè)雜志是美國(guó)出版的《科學(xué)》（Science）。】

另一個(gè)關(guān)鍵作用將量子比特置于奇偶校驗(yàn)狀態(tài)的疊加中。這也是通過量子點(diǎn)的微波反射測(cè)量來執(zhí)行的，但采用不同的測(cè)量配置。我們將第一個(gè)量子點(diǎn)與納米線解耦，并將不同的點(diǎn)連接到器件一端的兩個(gè)納米線。通過執(zhí)行 Z 和 X 這兩個(gè)正交的包利（Pauli）測(cè)量，我們展示了基于測(cè)量的控制。這是一個(gè)關(guān)鍵的里程碑，開啟了我們路線圖的下一步。

我們的路線圖現(xiàn)在系統(tǒng)地朝著可擴(kuò)展的QEC邁進(jìn)。下一步將涉及 4×2 特子（tetron）陣列。我們將首先使用雙量子比特子集來演示糾纏和基于測(cè)量的編織變換。然后，我們將使用整個(gè)8量子比特?cái)?shù)組，在兩個(gè)邏輯量子比特上實(shí)現(xiàn)量子錯(cuò)誤檢測(cè)。

拓?fù)淞孔颖忍氐膬?nèi)置錯(cuò)誤保護(hù)簡(jiǎn)化了QEC。此外，與此前最先進(jìn)的方法相比，我們的定制QEC代碼將時(shí)間和費(fèi)用減少到十分之一。這種顯著的減少意味著我們的可擴(kuò)展系統(tǒng)可以使用更少的物理量子比特構(gòu)建，并有可能以更快的時(shí)鐘速度運(yùn)行。

（六）五角大樓DARPA對(duì)微軟技術(shù)的認(rèn)可

五角大樓國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）已選擇微軟作為進(jìn)入其嚴(yán)格的基準(zhǔn)測(cè)試計(jì)劃的最后階段的公司之一。該計(jì)劃稱為“公用事業(yè)規(guī)模量子計(jì)算的未充分探索系統(tǒng)”（US2QC）。這個(gè)計(jì)劃是DARPA更大的“量子基準(zhǔn)測(cè)試計(jì)劃”（QBI）對(duì)一部分。微軟將這一認(rèn)可視為對(duì)我們構(gòu)建具有拓?fù)淞孔颖忍氐娜蒎e(cuò)量子計(jì)算機(jī)的路線圖的確證。

DARPA的US2QC計(jì)劃及其更廣泛的量子基準(zhǔn)測(cè)試計(jì)劃（QBI）規(guī)定了一種評(píng)估量子系統(tǒng)的嚴(yán)格方法。這些量子系統(tǒng)可以解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題。

迄今為止，US2QC計(jì)劃匯集了來自DARPA、空軍研究實(shí)驗(yàn)室、約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室、洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)宇航局艾姆斯研究中心的專家，以驗(yàn)證量子硬件、軟件和應(yīng)用程序。

【注：五角大樓匯集了美國(guó)軍工系統(tǒng)最實(shí)力強(qiáng)機(jī)構(gòu)的科學(xué)家、技術(shù)專家驗(yàn)證微軟的量子處理器Majorana 1】

展望未來，更大的量子基準(zhǔn)測(cè)試計(jì)劃預(yù)計(jì)將與更多量子計(jì)算機(jī)測(cè)試和評(píng)估專家合作。

以前，DARPA 在評(píng)估我們可以在合理的時(shí)間范圍內(nèi)構(gòu)建一臺(tái)實(shí)用規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)后，選擇了微軟作為US2QC計(jì)劃早期階段的實(shí)施公司。然后，DARPA 評(píng)估了微軟量子團(tuán)隊(duì)的容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程計(jì)劃。經(jīng)過仔細(xì)分析，DARPA和微軟公司已簽署協(xié)議，開始該計(jì)劃的最后階段。在此階段，微軟打算在幾年而不是幾十年內(nèi)構(gòu)建一個(gè)基于拓?fù)淞孔颖忍氐娜蒎e(cuò)原型。這是向公用事業(yè)規(guī)模量子計(jì)算邁出的關(guān)鍵步驟。

（七）微軟承諾：將制造最先進(jìn)超級(jí)計(jì)算機(jī)

18個(gè)月前（2023年7月），我們制定了量子超級(jí)計(jì)算機(jī)的路線圖。今天，我們達(dá)到了第二個(gè)里程碑，展示了世界上第一個(gè)拓?fù)淞孔颖忍亍?strong>我們已經(jīng)在可容納100萬個(gè)量子比特的芯片上放置了8個(gè)拓?fù)淞孔颖忍?/strong>。

百萬量子比特量子計(jì)算機(jī)不僅是一個(gè)里程碑，而且是解決世界上一些最困難問題的最強(qiáng)超級(jí)計(jì)算機(jī)。即使是當(dāng)今最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)也無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)決定對(duì)我們未來至關(guān)重要的材料特性的量子過程。我們這種規(guī)模的量子計(jì)算可能會(huì)帶來很多創(chuàng)新。

我們通往有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算的道路很明確。基礎(chǔ)技術(shù)已得到驗(yàn)證。我們相信我們的架構(gòu)是可擴(kuò)展的。

我們與DARPA的新協(xié)議表明，我們承諾：不懈地朝著我們的目標(biāo)前進(jìn)，制造一臺(tái)能夠推動(dòng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)并解決重要問題的世界最先進(jìn)超級(jí)計(jì)算機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Chetan Nayak: “MicrosoftunveilsMajorana 1, the world’s first quantum processor powered by topological qubits”, microsof.com, February 19, 2025. Link:
https://azure.microsof.com/en-us/blog/quantum/2025/02/19/microsof-unveils-majorana-1-the-worlds-first-quantum-processor-powered-by-topological-qubits/

[2] WillowTohi: “Microsoft unveils Pentagon-backed Majorana 1quantum processor: A leapforward in quantum computing”, NaturalNews.com, February 22,2025. Link:
https://www.naturalnews.com/2025-02-22-microsof-unveils-pentagon-backed-majorana-1-quantum-processor.html