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Microsoft，推出全新 Majorana 1 量子处理器已经勾勒出一条通往百万量子比特量子芯片的可行路径。但这种新的物质状态是否真的标志着量子计算的突破，还是只是其演进的又一步？
长期以来，量子计算一直被认为是技术领域的下一个前沿，有望解决甚至最强大的现代超级计算机都无法解决的问题。然而，多年来，研究人员一直在努力应对一个根本性的挑战——如何建立一个能够处理量子比特（量子信息的基本单位）复杂物理的系统，而不会受到噪声、不稳定性和可扩展性问题的困扰。
Microsoft 现在声称已经开辟了新的道路 Majorana 1 芯片，这项创新被称为拓扑核心架构。与由标准半导体或超导材料制成的传统量子比特不同， Majorana 1 依靠的是完全不同的东西——拓扑导体。这些材料可以产生一种新的物质状态，即拓扑相，不同于传统的固体、液体或气体状态。
但为什么这很重要？更重要的是，为什么量子物理学领域以外的人应该关心这个问题？量子计算的潜力远远超出了研究实验室的范围，它影响着从自修复建筑材料的开发到优化将塑料分解成无害副产品的催化剂等一切事物。 Microsoft 相信 Majorana 1，这些突破可能在几年内而不是几十年内成为现实。
再看看立方体
核心是 Microsoft的进展是一种新型拓扑导体材料。它由砷化铟（一种半导体）和铝（一种超导体）制成，正如一位研究人员所描述的那样，“实际上是一个原子一个原子地组装而成”。结果是一种超纯环境，能够维持被称为马约拉纳费米子的难以捉摸的量子粒子。
从理论上讲，马约拉纳费米子是存储量子信息最可靠的方法之一。它们独特的性质有助于保护数据免受环境噪声的影响，从而保留脆弱的量子态。传统量子比特非常敏感，容易发生退相干——这是一种量子态因外部干扰而崩溃的过程。即使是微小的干扰，如杂散电磁信号、温度波动或微小的物理干扰，也可能导致错误。这种固有的脆弱性长期以来一直是构建稳定且可扩展的量子计算机的主要障碍。
Microsoft 现在声称 Majorana 1基于拓扑的量子比特具有硬件级错误恢复能力，有效地将稳定性融入到量子比特的设计中。简而言之，这可以使量子计算机更加实用，也更易于扩展。
“我们退一步思考，‘量子时代的晶体管会是什么样子？它应该具备哪些特性？’” Microsoft“我们之所以能实现这一目标，是因为我们采用了独特的组合——新材料组中特定的材料质量和关键细节——这使我们能够创建一种新型量子比特，并最终创建出我们的整个架构。”
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为什么这一突破如此重要
量子计算有可能彻底改变问题解决方式，特别是在涉及海量数据集或化学、物理和材料科学等复杂相互作用的领域。然而，实现数百或数千个能够可靠运行的量子比特仍然是一项挑战。
一个固有问题是量子比特容易出错。构建具有纠错功能的系统通常需要大量开销，使用额外的量子比特来稳定执行计算的少数“逻辑量子比特”。
拓扑方法旨在通过使每个量子比特本质上更稳定来减少纠错开销。这代表着在构建能够处理一百万个量子比特的机器的探索中迈出了一大步。专家认为，这一门槛对于解决现实世界的问题至关重要，例如研究新药、优化复杂的供应链，或发现可以修复桥梁裂缝、飞机部件甚至手机屏幕上划痕的自修复材料。
在一块小到可以握在手掌中的芯片上实现一百万个量子比特，听起来可能像是科幻小说中的东西。然而， Microsoft 相信通过其拓扑核心架构可以实现这一规模。
“当你探索量子空间时，一定有一条通往一百万量子比特的道路。没有它，你在达到解决真正重要问题所需的规模之前就会遇到障碍，”Chetan Nayak 说。“我们实际上已经规划出了通往一百万量子比特的道路。”
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重新思考控制和测量
量子比特需要的不仅仅是稳定性——它们还必须是可测量的，才能产生有用的结果。传统方法通常依赖于模拟微调每个量子比特，这是一个复杂且耗时的过程，随着量子比特数量的增加，这个过程变得难以管理。
Microsoft 通过引入一个“数字开关”，将纳米线的两端（马约拉纳粒子所在的位置）连接到量子点，可以规避这一挑战。这个量子点存储的电荷会根据存在的电子数量而变化，类似于区分“十亿”和“十亿零一”。电荷的差异表明量子比特是处于偶数状态还是奇数状态，这是量子计算的关键数据。
重要的是，可以使用电压脉冲来打开或关闭测量，这更像是拨动数字开关，而不是调节灵敏的刻度盘。这种方法让工程师无需单独校准每个量子位，从而有可能将系统的复杂性降低几个数量级。此外，由于它在硬件层面上是稳定的，因此该过程需要更少的额外量子位来纠正错误。
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创造不可能：物质的新状态
物质的拓扑状态（不同于固体、液体或气体的物质状态）的概念听起来可能像抽象的量子力学。然而，这是这种方法的基础。创建拓扑导体需要 Microsoft 开发一种全新的材料。
Microsoft的拓扑量子比特架构由铝纳米线制成，形状像一个微小的“H”，它将四个受控的马约拉纳粒子聚集在一起，形成一个量子比特。然后可以将这些单独的量子比特排列在芯片上，从而为扩展提供一条直接的途径。
“这很困难，因为我们必须展示一种新的物质状态才能实现这一点，但之后就相对简单了。就像铺瓷砖一样。你有一个更简单的架构，可以保证更快的扩展路径，”另一位技术人员 Krista Swore 说。 Microsoft.
这种新的物质状态也是马约拉纳费米子如此难以捉摸的原因：大自然不会自发地创造它们。要诱导它们的存在，需要接近绝对零度的温度、精心排列的磁场以及超导铝和半导体砷化铟之间的完美界面。原子结构一旦发生一次破坏，量子比特就会失效。这是材料科学的一项重大突破，凸显了实现量子比特所需的工程挑战的规模。 Microsoft 必须克服。
走向真正解决方案的途径
与量子计算领域任何雄心勃勃的研究一样，要完全实现成果还需要数年时间。然而， Microsoft 职位 Majorana 1 量子计算是解决行业难题的关键。负责资助高风险和高成本技术的国防高级研究计划局 (DARPA) 似乎也同意这一观点。 Microsoft 是 DARPA 实用规模量子计算未开发系统 (US2QC) 项目最后阶段入选的两家公司之一，该项目旨在开发第一台具有真正商业价值的容错量子计算机。
其影响是巨大的。有了百万量子比特的系统，科学家理论上可以解开最复杂的化学谜团，解释某些材料腐蚀或开裂的原因，或阐明某些酶如何在农业和医疗保健中充当催化剂。
这些发现可能有助于创建自修复基础设施、更有效的药物或分解塑料和对抗微塑料污染的通用方法。结合人工智能的进步，量子计算机可以将我们的目标转化为新材料的“配方”，从而有可能消除多年的研发反复试验。
“从一开始，我们就想创造一台具有商业影响力的量子计算机，而不仅仅是为了发挥智力领导力。” Microsoft技术研究员 Matthias Troyer 表示：“我们知道我们需要一个新的量子比特。我们知道我们需要扩大规模。”
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量子的转折点
从很多方面来看，量子计算领域的竞争都与半导体革命的早期如出一辙。工程师们知道实用的晶体管将改变世界，但首先他们必须解决许多材料科学和电路设计难题。
类似地，拓扑导体对量子计算的作用就像半导体对经典计算的作用一样，为下一代计算能力提供必要的稳定、可扩展的基础。
- Majorana 1 芯片设计用于容纳一百万个量子比特，大小与手掌相当，这表明量子“百万量子比特”机器的时代可能比我们想象的更近了。当然，真正的大规模量子机器仍需要多年的开发。
稀释制冷机、控制逻辑、软件堆栈和整个计算生态系统需要无缝集成。然而，拓扑方法部分消除了有关“如何保持量子比特稳定性并可靠地测量它们”的最大科学障碍。
“一件事是发现一种新的物质状态，”纳亚克说，“另一件事是用它来重新思考大规模量子计算。”似乎 Microsoft 两方面都做到了，推动量子技术走出实验室，走向实用。对稳定量子比特的探索可能最终会迎来一个量子硬件更加可靠的时代，百万量子比特之路已经规划好，商业应用也指日可待。
如果这项技术能够实现其承诺，它将不仅仅是 Microsoft。这可能意味着我们开发一切事物的方式将发生范式转变——从先进材料和药品到复杂的环境解决方案。这就是为什么 Majorana 1 是一件大事。
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