文 | 芯東西 ZeR0
編輯 | 漠影
芯東西2月20日報道，微軟昨夜在量子計算領(lǐng)域甩出一枚重磅“核彈”，正式推出Majorana 1——全球首個由拓撲核心驅(qū)動的量子處理器（QPU）。
微軟董事長兼CEO薩蒂亞·納德拉發(fā)文宣布：“這一突破將使我們在幾年內(nèi)，而不像一些人預(yù)測的那樣用幾十年，創(chuàng)造出一臺真正有意義的量子計算機。”?
這是微軟運行時間最長的研究項目之一。過去17年，微軟一直推進這項研究。他們已經(jīng)能對迄今僅被理論化的亞原子粒子進行觀察，還可以控制它。
這為量子計算創(chuàng)造了一種全新的材料和架構(gòu)——可將100萬量子比特塞進一顆巴掌大小的單芯片。
Majorana 1小到只有0.01毫米寬，已實現(xiàn)將8個拓撲量子比特放在單芯片上，未來這個芯片將能擴展至百萬級量子比特。
而世界上所有當前計算機的協(xié)同運行，都無法完成一臺100萬量子比特的量子計算機能夠完成的任務(wù)。
100萬量子比特意味著什么？
量子計算機可以模擬得非常精確，將解決當今世界所有計算機的綜合能力所無法解決的問題，比如將微塑料分解成無害的副產(chǎn)品、發(fā)明自修復(fù)材料，有望徹底改變醫(yī)學、藥物研發(fā)、材料科學乃至我們對自然世界的理解。
不僅如此，量子計算機還能增強AI能力，推動更多前沿發(fā)現(xiàn)。
Majorana 1的革命性突破在于運用了全新材料“拓撲導(dǎo)體”（topoconductor），標志著人類向?qū)嵱没孔佑嬎氵~出關(guān)鍵一步。
微軟還宣布在實用量子計算的道路上取得如下進展：
1、硬件級保護型拓撲量子比特 ：結(jié)合今日Nature論文及Station Q會議披露的技術(shù)細節(jié)，微軟率先利用新型材料和設(shè)計一種完全不同類型的微型、高速、支持全數(shù)字化調(diào)控的量子比特。
2、可靠量子計算的設(shè)備路線圖：從單量子比特到實現(xiàn)量子糾錯的陣列結(jié)構(gòu)。
3、構(gòu)建世界上第一個基于拓撲量子比特的容錯原型（FTP）：作為美國國防高級研究計劃局（DARPA）實用規(guī)模量子計算未充分探索系統(tǒng)（US2QC）計劃的最終階段的一部分，微軟正在按計劃構(gòu)建可擴展量子計算機的FTP（只需數(shù)年而不是數(shù)十年）。
這些里程碑共同標志著從科學探索向技術(shù)創(chuàng)新邁進的量子計算關(guān)鍵時刻，將重新定義量子旅程的下一階段如何進行。
Dwarkesh播客節(jié)目第一時間放出對納德拉的專訪。納德拉談道，今年是微軟成立50周年，微軟在量子計算領(lǐng)域已經(jīng)研究了大約30年，現(xiàn)在有了物理學和制造技術(shù)上的突破，接下來要做的是構(gòu)建第一臺容錯量子計算機。
他希望用量子計算機來取代一些高性能計算，并幫助我們應(yīng)對這個星球上面臨的所有挑戰(zhàn)。
論文指路：arxiv.org/pdf/2502.12252
01. 通往百萬量子比特的路徑：世界上第一個拓撲導(dǎo)體
量子世界遵循量子力學定律，這與我們所見世界的物理定律不同。這些粒子被稱為量子比特，類似于計算機現(xiàn)在使用的比特，即1和0。
量子比特非常敏感，極易受到來自環(huán)境的干擾和誤差的影響，從而導(dǎo)致它們崩潰和信息丟失。它們的狀態(tài)也會受到測量的影響，這造成了問題，因為測量對于計算至關(guān)重要。一個固有挑戰(zhàn)是開發(fā)一個可以測量和控制的量子比特，同時提供保護以防止環(huán)境噪聲破壞它們。
量子比特可以通過不同的方式創(chuàng)建，每種方式都有優(yōu)點和缺點。將近20年前，微軟決定采用一種獨特的方法：開發(fā)拓撲量子比特。
微軟認為，這將提供更穩(wěn)定的量子比特，需要更少的糾錯，從而釋放速度、尺寸和可控性優(yōu)勢。
這種方法的學習曲線很陡峭，需要未知的科學和工程突破，但也是創(chuàng)建可擴展和可控的量子比特、能夠完成具有商業(yè)價值的工作的最有希望的途徑。
它們在自然界中并不存在，只能通過磁場和超導(dǎo)體誘導(dǎo)而產(chǎn)生。開發(fā)合適的材料來制造奇異粒子及其相關(guān)的物質(zhì)拓撲狀態(tài)的難度，是大多數(shù)量子研究都集中在其他類型的量子比特上的原因。
直到近期，微軟試圖使用的奇異粒子——馬約拉納（Majorana）粒子，才被人發(fā)現(xiàn)或制造出來。
這基于其團隊的最新重大成果：全球首個拓撲導(dǎo)體。
拓撲導(dǎo)體，又稱拓撲超導(dǎo)體，是一種特殊的材料，可以創(chuàng)造一種全新的物質(zhì)狀態(tài)——不是固體、液體或氣體，而是拓撲狀態(tài)。
利用這種狀態(tài)可以產(chǎn)生更穩(wěn)定的量子比特。拓撲量子比特進展的精妙之處在于，它這種量子比特速度快、體積小，并且可以數(shù)字控制，無需像目前的替代方案那樣進行權(quán)衡，具有無可比擬的擴展能力。
微軟在發(fā)表于Nature的一篇新論文中概述了如何創(chuàng)建拓撲量子比特的奇異量子特性并準確測量它們，這是實用計算的必要步驟。
論文鏈接：nature.com/articles/s41586-024-08445-2
這一突破需要開發(fā)一種由砷化銦（半導(dǎo)體）和鋁（超導(dǎo)體）制成的全新材料堆棧，其中大部分都是微軟逐個原子設(shè)計和制造的。
其目標是誘導(dǎo)出名為馬約拉納粒子的新量子粒子，并利用其獨特性質(zhì)進入量子計算的下一個領(lǐng)域。
當冷卻到接近絕對零度并用磁場調(diào)節(jié)時，這些設(shè)備會形成拓撲超導(dǎo)納米線（nanowire），導(dǎo)線末端具有馬約拉納零模式（MZM）。
近一個世紀以來，這些準粒子只存在于教科書中。去年，微軟第一次觀察到馬約拉納粒子。而現(xiàn)在，微軟可以根據(jù)需要，在拓撲導(dǎo)體中創(chuàng)建和控制它們了。
MZM是量子比特的構(gòu)建塊，通過“奇偶校驗”存儲量子信息——導(dǎo)線包含偶數(shù)還是奇數(shù)個電子。
在傳統(tǒng)超導(dǎo)體中，電子結(jié)合成庫珀對并無阻力移動。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。
拓撲導(dǎo)體有所不同：在這里，一對MZM之間共享一個未配對的電子，使其對環(huán)境不可見。這種獨特的屬性保護了量子信息。
雖然這使得拓撲導(dǎo)體成為量子比特的理想候選者，但它也帶來了一個挑戰(zhàn)：如何讀取隱藏得如此好的量子信息？如何區(qū)分1,000,000,000個電子和1,000,000,001個電子？
微軟對這一測量挑戰(zhàn)的的解決方案如下：
1、通過數(shù)字開關(guān)將納米線兩端耦合至量子點（儲存電荷的微型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)）。
2、這種連接提高了點保持電荷的能力。確切的增加取決于納米線的奇偶校驗。
3、用微波測量這種變化。量子點保持電荷的能力決定了微波如何從量子點反射。因此，它們會帶著納米線量子態(tài)的印記返回。
微軟設(shè)計的設(shè)備足以實現(xiàn)在單次測量中可靠測量，最初測量誤差率為1%，并且已有明確路徑來顯著降低這一誤差。
微軟的系統(tǒng)表現(xiàn)出了令人印象深刻的穩(wěn)定性。外部能量（例如電磁輻射）可以破壞庫珀對，產(chǎn)生不成對的電子，從而將量子比特的狀態(tài)從偶數(shù)變?yōu)槠鏀?shù)。但其結(jié)果表明這種情況很少見，平均每毫秒只發(fā)生一次。這表明包裹其處理器的屏蔽層可以有效地阻擋此類輻射。微軟正在探索進一步減少這種情況的方法。
量子計算需要設(shè)計一種專門用于實現(xiàn)量子計算的新物質(zhì)狀態(tài)。微軟的讀出技術(shù)已經(jīng)非常精確，這表明其正在利用這種奇異的物質(zhì)狀態(tài)進行量子計算。
這種讀出技術(shù)實現(xiàn)了從根本上不同的量子計算方法，其中使用測量來執(zhí)行計算。
02.通過數(shù)字精度徹底改變量子控制，從物理學到工程學
傳統(tǒng)芯片用電子完成計算。Majorana 1芯片不使用電子，而使用馬約拉納粒子進行計算，它是半個電子。
微軟不僅能夠創(chuàng)建馬約拉納粒子，幫助保護量子信息免受隨機干擾，而且還可以使用微波可靠地測量它們的信息。
世界上第一個為Majorana 1提供動力的拓撲核心在設(shè)計上是可靠的，在硬件層面融入了抗錯誤功能，使其更加穩(wěn)定。
具有商業(yè)重要性的應(yīng)用，需對100萬量子比特進行數(shù)萬億次運算。而當前的方法依賴于對每個量子比特進行精細調(diào)整的模擬控制，這超出了現(xiàn)有方法的承受范圍。
傳統(tǒng)量子計算以精確的角度旋轉(zhuǎn)量子態(tài)，需要為每個量子位定制復(fù)雜的模擬控制信號。這使量子糾錯 （QEC）變得復(fù)雜，因為量子糾錯必須依靠這些同樣敏感的操作來檢測和糾正錯誤。
馬約拉納粒子隱藏了量子信息，使其更加可靠，但也更難測量。微軟團隊的新測量方法非常精確，可以檢測到超導(dǎo)導(dǎo)線中十億個電子和十億個電子之間的差異——這告訴計算機量子比特處于什么狀態(tài)，并構(gòu)成量子計算的基礎(chǔ)。
具體而言，微軟基于測量的方法完全通過由連接和斷開量子點與納米線的簡單數(shù)字脈沖激活的測量來執(zhí)行誤差校正。這種數(shù)字控制，使得管理實際應(yīng)用所需的大量量子比特變得切實可行，重新定義并大大簡化了量子計算的工作原理。
測量可以通過電壓脈沖來開啟和關(guān)閉，就像輕按電燈開關(guān)一樣，而不必為每個單獨的量子比特微調(diào)刻度盤。這種更簡單的測量方法可以實現(xiàn)數(shù)字控制，從而簡化了量子計算過程和構(gòu)建可擴展機器的物理要求。
微軟的拓撲量子比特還因其尺寸而比其他量子比特更具優(yōu)勢。
據(jù)研究人員分享，即便是如此微小的量子比特，也存在一個“適中”區(qū)域，太小的量子比特很難運行控制線，而太大的量子比特則需要一臺巨大的機器。為這些類型的量子比特添加個性化控制技術(shù)將需要建造一臺不切實際的計算機，其大小相當于一個飛機庫或足球場。
Majorana 1是微軟的量子芯片，包含量子比特和周圍的控制電子設(shè)備，小到可以握在手掌中，并能整齊地裝入量子計算機中，而量子計算機可輕松部署在微軟Azure數(shù)據(jù)中心內(nèi)。
目前Majorana 1已經(jīng)擁有8個拓撲量子比特。
通過展示核心構(gòu)建模塊——在MZM中編碼、受拓撲保護并通過測量處理的量子信息，微軟稱他們已準備好從物理突破轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用。
微軟的拓撲量子比特架構(gòu)將鋁納米線連接在一起形成一個 H。每個H有4個可控的馬約拉納粒子，構(gòu)成一個量子比特。這些H也可以連接起來，像許多瓷磚一樣分布在芯片上。
下一步是圍繞單量子比特設(shè)備（稱為Tetron）構(gòu)建可擴展架構(gòu)。在Station Q會議上，微軟分享了演示此量子比特基本操作的數(shù)據(jù)。一項基本操作（測量Tetron中拓撲納米線之一的奇偶性）使用了微軟在Nature論文中描述的相同技術(shù)。
圖中第一幅圖展示了一個單量子比特設(shè)備。tetron由兩條平行拓撲線（藍色）組成，兩端各有一個MZM（橙色點），由一條垂直的平凡超導(dǎo)導(dǎo)線（淺藍色）連接。
第二幅圖展示了一個支持基于測量的編織轉(zhuǎn)換的雙量子比特設(shè)備。第三幅圖顯示了一個4×2 tetron陣列，支持在兩個邏輯量子比特上進行量子錯誤檢測演示。這些演示建立在量子糾錯的基礎(chǔ)上，如右圖所示的設(shè)備（27×13 tetron陣列）。
另一個關(guān)鍵操作是將量子比特置于奇偶校驗態(tài)的疊加中。這也是通過對量子點進行微波反射測量來實現(xiàn)的，但測量配置不同，微軟將第一個量子點與納米線分離，并將另一個點連接到設(shè)備一端的兩條納米線上。通過執(zhí)行這兩個正交的泡利測量Z和X，微軟展示了基于測量的控制，這是開啟其路線圖下一步的關(guān)鍵里程碑。
微軟路線圖現(xiàn)在系統(tǒng)地指向可擴展的QEC。下一步將涉及4×2四量子陣列。他們將首先使用一個雙量子比特子集來演示糾纏和基于測量的編織變換，然后將使用整個8量子比特陣列在2個邏輯量子比特上實現(xiàn)量子誤差檢測。
拓撲量子比特的內(nèi)置錯誤保護簡化了QEC。此外，與之前的先進方法相比，其自定義QEC代碼將開銷減少到大約1/10。
這種大幅減少意味著其可擴展系統(tǒng)可以用更少的物理量子比特構(gòu)建，并有可能以更快的時鐘速度運行。
量子芯片不能單獨工作。它存在于一個生態(tài)系統(tǒng)中。這個生態(tài)系統(tǒng)具有控制邏輯、一個將量子比特保持在比外太空低得多的溫度的稀釋制冷機，還有一個可以與AI和傳統(tǒng)計算機集成的軟件棧。所有這些部件都是完全在內(nèi)部構(gòu)建或修改的。
繼續(xù)完善這些流程并讓所有元素以更快的規(guī)模協(xié)同工作將需要更多年的工程工作。但微軟稱，許多艱難的科學和工程挑戰(zhàn)現(xiàn)在已經(jīng)得到解決。
03.已進入DAPRA嚴格基準測試最終階段
除了制造自己的量子硬件之外，微軟還與Quantinuum和Atom Computing合作，利用當今的量子比特取得科學和工程突破，包括去年宣布推出業(yè)界首臺可靠的量子計算機。
這些類型的機器為開發(fā)量子技能、構(gòu)建混合應(yīng)用程序和推動新發(fā)現(xiàn)提供了重要的機會，特別是當AI與由大量可靠量子比特驅(qū)動的新量子系統(tǒng)相結(jié)合時。
如今，Azure Quantum提供了一套集成解決方案，使客戶能夠利用Azure中領(lǐng)先的AI、高性能計算和量子平臺來推進科學發(fā)現(xiàn)。
美國DARPA已選定微軟作為兩家進入其嚴格基準測試計劃最終階段的公司之一，該計劃名為實用級量子計算未開發(fā)系統(tǒng)（US2QC），是DARPA大型量子基準測試計劃（QBI）的組成部分之一。微軟認為這是對其構(gòu)建具有拓撲量子比特容錯量子計算機路線圖的認可。
DARPA的US2QC計劃及其更廣泛的量子基準測試計劃代表了一種嚴格的方法來評估量子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以解決超出傳統(tǒng)計算機能力的問題。
此前，DARPA評估微軟可以在合理的時間內(nèi)構(gòu)建出實用級量子計算機，因此選擇了微軟進行早期階段的研究。隨后，DARPA評估了微軟量子團隊的容錯量子計算機架構(gòu)設(shè)計和工程計劃。經(jīng)仔細分析，DARPA和微軟簽署了一項協(xié)議，開始該項目的最后階段。
在此階段，微軟計劃在數(shù)年內(nèi)（而不是數(shù)十年內(nèi)）構(gòu)建基于拓撲量子位的容錯原型，這是邁向?qū)嵱眉壛孔佑嬎愕年P(guān)鍵加速步驟。
這將實現(xiàn)一種能提供100萬個或更多量子比特并實現(xiàn)數(shù)萬億次快速可靠操作的量子架構(gòu)。
它們可以使用量子力學以驚人的精度在數(shù)學上描繪自然界的行為方式，從化學反應(yīng)到分子相互作用和酶能量。
百萬級量子比特機器應(yīng)該能夠解決化學、材料科學和其他行業(yè)中某些類型的問題，而這些問題是當今的傳統(tǒng)計算機無法準確計算的。
例如，它們可以幫助解決材料為何會遭受腐蝕或開裂的化學難題。這可能導(dǎo)致自修復(fù)材料出現(xiàn)，用于修復(fù)橋梁或飛機部件的裂縫、破碎的手機屏幕或刮傷的車門。
由于塑料種類繁多，目前還無法找到一種可以分解塑料的萬能催化劑——這對于清理微塑料或解決碳污染尤為重要。量子計算可以計算此類催化劑的性質(zhì)，將污染物分解成有價值的副產(chǎn)品或首先開發(fā)無毒替代品。
酶是一種生物催化劑，由于只有量子計算才能提供對其行為的精確計算，酶可以更有效地應(yīng)用于醫(yī)療保健和農(nóng)業(yè)。這可能會帶來突破性進展，幫助消除全球饑餓：提高土壤肥力以提高產(chǎn)量或促進惡劣氣候條件下糧食的可持續(xù)生長。
研究人員說，讓材料正確堆疊以產(chǎn)生物質(zhì)的拓撲狀態(tài)是最困難的部分之一。微軟的拓撲導(dǎo)體不是由硅制成，而是由砷化銦制成，這種材料目前用于紅外探測器等應(yīng)用，具有特殊性質(zhì)。半導(dǎo)體與超導(dǎo)性相結(jié)合，形成了一種混合物。
理解這些材料非常困難，有了可擴展的量子計算機，人們將能夠預(yù)測具有更好性能的材料，進而能夠構(gòu)建下一代超越規(guī)模的量子計算機。
最重要的是，量子計算可以讓工程師、科學家、公司和其他人員第一次就設(shè)計出正確的產(chǎn)品——這將為從醫(yī)療健康到產(chǎn)品開發(fā)等各個領(lǐng)域帶來變革。
量子計算的強大功能與AI工具相結(jié)合，可以讓人們用通俗易懂的語言描述他們想要創(chuàng)造什么樣的新材料或分子，并立即得到可行的答案——無需猜測或多年的反復(fù)試驗。
“任何制造任何東西的公司都可以在第一次就設(shè)計出完美的產(chǎn)品。它會給你答案，”微軟技術(shù)研究員說，“量子計算機教會AI自然語言，這樣AI就可以告訴你想要制造什么的配方?！?/p>
04.結(jié)語：百萬量子比特開啟未來之門，將推動材料科學革新
18個月前，微軟制定了量子超算路線圖。今天，微軟已經(jīng)實現(xiàn)第二階段的目標——展示了世界上第一個拓撲量子比特。微軟已經(jīng)在一顆設(shè)計為容納100萬個量子比特的芯片上集成了8個拓撲量子比特。
百萬量子比特的量子計算機不僅僅是一個里程碑，更是解決世界上一些最困難問題的途徑。
即使是當今最強大的超級計算機，也無法準確預(yù)測決定未來必不可少的材料特性的量子過程。但這種規(guī)模的量子計算可以帶來創(chuàng)新，例如修復(fù)橋梁裂縫的自修復(fù)材料、可持續(xù)農(nóng)業(yè)和更安全的化學發(fā)現(xiàn)。
今天需要耗資數(shù)十億美元進行的詳盡實驗探索，可以用量子計算機取而代之。
微軟通往實用量子計算的路徑很清晰，基礎(chǔ)技術(shù)已得到驗證。微軟相信其架構(gòu)是可擴展的，他們正不懈朝著目標前進——建造一臺能夠推動科學發(fā)現(xiàn)并解決重要問題的量子機器。
我們正處于量子時代的開端，而Majorana 1只是個開始。