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微软今天推出了马约拉纳 1 号芯片，这是世界上首款由新型拓扑核心架构驱动的量子芯片。微软预计，该架构将在几年内（而非几十年）实现能够解决有实际意义的工业规模问题的量子计算机。

它利用了世界上首个拓扑超导体，这是一种具有突破性的材料，能够观测和控制马约拉纳粒子，从而产生更可靠且可扩展的量子比特，而量子比特是量子计算机的基本组成单元。

微软表示，就如同半导体的发明使如今的智能手机、计算机和电子产品成为可能一样，拓扑超导体以及由其所驱动的新型芯片，为开发能够扩展到拥有一百万个量子比特的量子系统提供了一条途径，并且该系统能够应对最复杂的工业和社会问题。

微软技术研究员切坦・纳亚克（Chetan Nayak）表示：“我们退一步思考，‘好吧，让我们为量子时代发明晶体管。它需要具备哪些特性呢？’ 这就是我们走到今天这一步的原因 —— 正是我们新材料堆栈中的特殊组合、质量和重要细节，造就了一种新型的量子比特，并最终形成了我们的整个架构。”

马约拉纳 1 号，由约翰・布雷彻（John Brecher）为微软拍摄。

微软称，用于开发马约拉纳 1 号处理器的这种新架构，为在一块可以放在手掌中的芯片上集成一百万个量子比特提供了一条清晰的路径。这是量子计算机提供变革性的现实世界解决方案所必需的一个门槛 —— 例如将微塑料分解为无害的副产品，或者为建筑、制造业或医疗保健领域发明自愈材料。目前世界上所有计算机加在一起，也无法做到拥有一百万个量子比特的量子计算机所能做到的事情。

纳亚克说：“无论你在量子领域做什么，都需要有一条通向一百万个量子比特的路径。如果没有，在你达到能够解决真正重要问题的规模之前，你就会遇到瓶颈，而这些问题正是激励我们前进的动力。我们实际上已经找到了一条通向一百万个量子比特的路径。”

拓扑超导体是一种特殊的材料类别，它可以创造出一种全新的物质状态 —— 既不是固体、液体也不是气体，而是一种拓扑态。这种特性被用来产生更稳定的量子比特，它速度快、体积小并且可以进行数字控制，无需像目前其他方案那样进行权衡取舍。周三发表在《自然》杂志上的一篇新论文概述了微软研究人员如何能够创造出拓扑量子比特的奇异量子特性，并且还能准确地对其进行测量，这是实现实用计算的关键一步。

切坦・纳亚克的照片，微软技术研究员，由约翰・布雷彻为微软拍摄。

微软表示，这一突破需要开发一种由砷化铟和铝组成的全新材料堆栈，其中大部分是微软逐个原子设计和制造的。其目标是诱使被称为马约拉纳的新量子粒子产生，并利用它们的独特特性，达到量子计算的新高度。

驱动马约拉纳 1 号的世界首个拓扑核心在设计上就具有可靠性，在硬件层面融入了抗错能力，使其更加稳定。

商业上重要的应用也将需要在一百万个量子比特上进行数万亿次操作，而对于目前依赖对每个量子比特进行精细模拟控制的方法来说，这是难以实现的。微软团队的新测量方法使量子比特能够进行数字控制，重新定义并极大地简化了量子计算的工作方式。

这一进展验证了微软多年前选择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，如今正在取得成果。如今，该公司已经在一块芯片上放置了八个拓扑量子比特，并且该芯片的设计目标是扩展到一百万个量子比特。

微软技术研究员马蒂亚斯・特洛伊尔（Matthias Troyer）坐在实验室里的照片，由约翰・布雷彻为微软拍摄

微软技术研究员马蒂亚斯・特洛伊尔表示：“从一开始，我们就想制造一台具有商业影响力的量子计算机，而不仅仅是在思想上处于领先地位。我们知道我们需要一种新的量子比特。我们知道我们必须实现扩展。”

这种方法使得美国国防高级研究计划局（DARPA），一个投资对国家安全重要的突破性技术的联邦机构，将微软纳入一个严格的项目中，以评估创新的量子计算技术是否能够比传统认为的更快地构建出具有商业相关性的量子系统。

微软现在是被邀请进入 DARPA 的 “实用规模量子计算未充分探索系统（US2QC）” 项目最后阶段的两家公司之一 —— 该项目是 DARPA 更大的量子基准计划的一部分 —— 其目标是交付行业内首台实用规模的容错量子计算机，即一台计算价值超过成本的计算机。

“它直接给出答案”

除了制造自己的量子硬件外，微软还与昆腾（Quantinuum）和原子计算公司（Atom Computing）合作，利用当今的量子比特实现科学和工程上的突破，包括去年宣布推出行业内首台可靠的量子计算机。

这些类型的机器为培养量子技能、构建混合应用程序和推动新发现提供了重要机会，尤其是当人工智能与由大量可靠量子比特驱动的新型量子系统相结合时。如今，Azure 量子提供了一套集成解决方案，使客户能够利用 Azure 中的这些领先的人工智能、高性能计算和量子平台，推动科学发现。

但要达到量子计算的新高度，将需要一种能够提供一百万个或更多量子比特，并实现数万亿次快速且可靠操作的量子架构。微软表示，今天的宣布使这一目标在几年内就能实现，而不是几十年。

因为它们可以利用量子力学，以令人难以置信的精度对自然行为进行数学建模 —— 从化学反应到分子相互作用和酶能量 —— 拥有一百万个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某些类型的问题，而这些问题是当今的经典计算机无法准确计算的。

例如，它们可以帮助解决材料为何会遭受腐蚀或出现裂纹这一困难的化学问题。这可能会带来自愈材料，能够修复桥梁或飞机部件上的裂纹、破碎的手机屏幕或有划痕的车门。

由于塑料的种类繁多，目前还不可能找到一种通用的催化剂来分解它们 —— 这对于清理微塑料或应对碳污染尤为重要。量子计算可以计算出这种催化剂的特性，将污染物分解为有价值的副产品，或者首先开发出无毒的替代品。

由于只有量子计算才能提供关于酶（一种生物催化剂）行为的准确计算，因此在医疗保健和农业领域可以更有效地利用酶。这可能会带来有助于消除全球饥饿的突破：提高土壤肥力以增加产量，或者在恶劣气候条件下促进粮食的可持续生长。

最重要的是，量子计算可以让工程师、科学家、公司和其他相关人员在第一次设计时就能把事情做好 —— 这对于从医疗保健到产品开发的各个领域都将带来变革。量子计算的力量与人工智能工具相结合，将使人们能够用通俗易懂的语言描述他们想要创建的新材料或分子，然后直接得到可行的答案 —— 无需猜测或多年的反复试验。

特洛伊尔说：“任何制造产品的公司都可以在第一次设计时就将其完美设计出来。它会直接给你答案。量子计算机教会人工智能自然的语言，这样人工智能就能直接告诉你想要制造的东西的配方。”

重新思考大规模量子计算

量子世界是根据量子力学定律运行的，这些定律与支配我们所看到的世界的物理定律不同。这些粒子被称为量子比特（qubit），或量子位，类似于如今计算机所使用的比特（即 0 和 1）。

量子比特非常敏感，极易受到来自其环境的干扰和错误的影响，这会导致它们崩溃并丢失信息。它们的状态也会受到测量的影响 —— 这是一个问题，因为测量对于计算来说是必不可少的。一个内在的挑战是开发一种既能被测量和控制，又能免受会破坏它们的环境噪声影响的量子比特。

量子比特可以通过不同的方式创建，每种方式都有其优缺点。大约 20 年前，微软决定采用一种独特的方法：开发拓扑量子比特，它认为这种量子比特将提供更稳定的量子比特，所需的纠错更少，从而释放出速度、尺寸和可控性方面的优势。这种方法带来了陡峭的学习曲线，需要在未知的科学和工程领域取得突破，但也是创造出能够进行商业价值工作的可扩展且可控量子比特最有希望的途径。

缺点是 —— 或者说曾经是 —— 直到最近，微软试图使用的被称为马约拉纳的奇异粒子从未被发现或制造出来。它们在自然界中不存在，只能通过磁场和超导体诱导产生。开发合适的材料来创造这些奇异粒子及其相关的拓扑物质状态的难度，就是为什么大多数量子研究工作都集中在其他种类的量子比特上的原因。

《自然》杂志上的这篇论文标志着经过同行评审确认，微软不仅能够创造出马约拉纳粒子，这种粒子有助于保护量子信息免受随机干扰，而且还能够使用微波可靠地测量来自这些粒子的信息。

马约拉纳粒子隐藏了量子信息，使其更加稳健，但也更难测量。微软团队的新测量方法非常精确，它可以检测到超导电线中十亿个电子和十亿零一个电子之间的差异 —— 这能告诉计算机量子比特处于什么状态，并构成了量子计算的基础。

这些测量可以通过电压脉冲来开启和关闭，就像拨动开关一样，而不是为每个单独的量子比特微调旋钮。这种更简单的测量方法实现了数字控制，简化了量子计算过程以及构建可扩展机器的物理要求。

微软的拓扑量子比特在尺寸方面也比其他量子比特具有优势。特洛伊尔说，即使对于如此微小的东西，也存在一个 “恰到好处” 的区域，太小的量子比特很难连接控制线，而太大的量子比特则需要一台巨大的机器。为这些类型的量子比特添加个性化控制技术，将需要建造一台像飞机库或足球场那么大的不切实际的计算机。

微软的马约拉纳 1 号量子芯片，既包含量子比特，又包含周围的控制电子设备，可以放在手掌中，并且能够整齐地安装在一台可以轻松部署在 Azure 数据中心内的量子计算机中。

纳亚克说：“发现一种新的物质状态是一回事。利用它来重新思考大规模的量子计算则是另一回事。”

逐个原子设计量子材料

微软的拓扑量子比特架构有连接在一起形成 “H” 形的铝纳米线。每个 “H” 形有四个可控的马约拉纳粒子，并构成一个量子比特。这些 “H” 形也可以相互连接，并像许多瓷砖一样排列在芯片上。

微软技术研究员克里斯塔・斯沃雷（Krysta Svore）说：“这很复杂，因为我们必须展示一种新的物质状态才能实现这一点，但在那之后，它就相当简单了。它可以像瓷砖一样排列。你拥有了这种更简单的架构，有望提供一条更快的扩展路径。”

克里斯塔・斯沃雷，微软技术研究员，由约翰・布雷彻为微软拍摄。

量子芯片并非单独工作。它存在于一个生态系统中，包括控制逻辑、一个能使量子比特保持比外太空温度还要低得多的稀释制冷机，以及一个可以与人工智能和经典计算机集成的软件堆栈。她说，所有这些部件都已存在，并且完全是在内部制造或修改的。

需要明确的是，继续完善这些过程，并使所有元素能够以更快的速度协同工作，还需要多年的工程工作。但微软表示，许多困难的科学和工程挑战现在已经得到解决。

斯沃雷补充说，正确配置材料堆栈以产生拓扑物质状态是最困难的部分之一。微软的拓扑超导体不是由硅制成的，而是由砷化铟制成的，这是一种目前用于红外探测器等应用的材料，并且具有特殊的特性。由于极冷的温度，这种半导体与超导性结合，形成了一种混合体。

斯沃雷说：“我们实际上是逐个原子地喷涂。这些材料必须完美排列。如果材料堆栈中有太多缺陷，就会毁掉你的量子比特。”

“具有讽刺意味的是，这也是我们需要量子计算机的原因 —— 因为理解这些材料极其困难。有了一台可扩展的量子计算机，我们将能够预测出具有更好性能的材料，用于构建超越当前规模的下一代量子计算机。”