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物质通常有固液气三态，然而如今，物理学教科书或将被彻底改写！凌晨时分，微软团队重磅推出了全球首个基于拓扑架构的量子芯片 ——Majorana 1。这块仅有巴掌大小的芯片，未来竟能容纳一百万个量子比特。它可不单单只是一块芯片，更是一种全新的物质形态，超越了固态、液态和气态，标志着量子计算正式迈入一个崭新时代。
最新研究成果已于 19 日发表在顶级期刊 Nature 上。与传统量子计算相比，Majorana 1 具备更高的容错能力以及更强的抗干扰性，能够在复杂环境中稳定运行。由拓扑导体制造的量子比特，拥有更快速、更可靠且更小尺寸的显著优势，每个量子比特的尺寸仅为 0.01mm。这意味着，在未来打造拥有 100 万个量子比特的处理器将不再困难。
纳德拉表示：「一块能轻松握在掌心的芯片，竟能解决当今地球上所有超级计算都无法突破的难题」。像分解塑料、设计自我修复材料、药物发现等化学、生命科学、生物学领域的问题，在未来都有望被攻克。纳德拉还预测，若将 AI 与量子计算相结合，量子计算可用于生成合成数据，随后 AI 能利用这些数据训练出更优的模型，应用于化学、物理等复杂领域。
值得一提的是，开发出全新的拓扑量子比特，乃是微软团队历经近 20 年磨砺的成果。上个月，老黄曾预言量子计算还需 20 年才能实用，如今这一观点即将被颠覆。Majorana 1 的横空出世，意味着人类能够在几年内，而非几十年后，打造出具有现实意义的量子计算机。纳德拉激动地表示：这并非在炒作技术，而是在创造真正能服务于世界的科技。就连马斯克也激动地转发，量子计算的突破日益增多！网友们纷纷惊呼，原来物质世界还有另一种状态。量子时代，需要全新的「晶体管」。
Majorana 1 量子芯片，是全球首款采用新型「拓扑计算核心」（Topological Core）架构的量子芯片（QPU）。它采用了全球首创的「拓扑导体」。拓扑导体，也就是拓扑超导体，是一种特殊类别的材料，能够创造出全新的物质状态 —— 既非固态、液态，也不是气态，而是拓扑量子态。这种突破性材料，能够观察和控制马约拉纳粒子（Majorana particles），进而制造出更可靠、更具扩展性的量子比特 —— 量子计算机的基本构建单元。研究人员借助这一特性，能够产生更为稳定的量子比特。这种量子比特不仅运算速度快、具备微型化和数字化可控的特点，而且无需像现有方案那样做出巨大的取舍。
正如半导体的发明成就了当今的智能手机、计算机和电子设备一样，拓扑导体加持的新型量子芯片，必将开辟全新的应用途径。量子时代，需要全新的晶体管。用于开发 Majorana 1 量子芯片的这种新架构，为在一个可以放入手掌的单个芯片上集成百万量子比特提供了明确的技术路径。需要明确的是，微软已经在一枚可扩展至百万量子比特规模的芯片上，成功集成了 8 个拓扑量子比特。
从单个量子比特到自动纠错的量子计算阵列，是实现可靠量子计算的必经之路。100 万量子比特，是量子计算机实现变革性实际应用所需的关键阈值。比如，将微塑料分解为无害的副产品，或者发明应用于建筑、制造或医疗保健领域的自修复材料。即便把当今世界上所有计算机的算力集中起来，也无法完成未来一台百万量子比特计算机所能承担的任务。也就是说，这一系统扩展至百万量子比特规模后，在解决最复杂的工业和社会问题时，将能够游刃有余。微软预计，这一突破将使量子计算机能够在未来几年内，而非几十年后，解决具有实际意义的工业级问题。要知道，商业上重要的应用需要数万亿吨的操作，此前依赖每个量子微调模拟控制的方法，几乎不可能完成。但如今，不可能已然变为可能。
目前，微软内部正在构建世界首个基于拓扑量子比特的容错原型机（FTP），计划在未来几年内问世。它也是美国 DARPA「实用规模量子计算未充分探索系统」（US2QC）项目最后阶段的一部分。搭载在 Majorana 1 上的全球首个拓扑计算核心的可靠性与生俱来，这是因为它在硬件层面上集成了容错能力，因而稳定性更高。
20 多年前，微软决定攻克拓扑量子比特设计这个项目，虽充满挑战，但潜力巨大。他们采取的这种独特方法，面临着陡峭的学习曲线，需要前所未有的科学和工程突破。然而，也唯有这种方法，才是通往可扩展、可控量子比特最具希望的道路。今日的重大进展证明，微软多年前的战略选择是正确的！微软研究员 Matthias Troyer 表示：「从一开始，我们就期望打造一台能产生商业影响的量子计算机，而不仅仅是引领思想潮流。我们明白，我们需要一种全新的量子比特，我们必须实现规模化」。
世界首个拓扑导体，一种此前仅存在于理论中的新物质状态，是如何打造出来的呢？据介绍，一种由砷化铟（一种半导体）和铝（一种超导体）构成的全新的材料体系，即栅控器件（gate-defined devices），得以实现。其中大部分材料，都是由微软通过逐个「原子级精度」设计和制造。当冷却到接近绝对零度并通过磁场调节时，这些器件形成拓扑超导纳米线，在纳米线的两端具有「马约拉纳零模」（Majorana Zero Modes，简称 MZMs）。
接下来的研究目标是，诱导一种称为马约拉纳（Majorana）的新型量子粒子产生。近一个世纪以来，这些准粒子仅存在于教科书中。现在，人类可以在拓扑导体中按需创建、控制它们。MZMs 是量子比特的基本构建块，通过「宇称」（parity），也就是纳米线中包含偶数还是奇数个电子来存储量子信息。
在传统超导体中，电子结合成库珀对（Cooper pair）并无阻力地移动。任何未配对的电子都可以被检测到，因为它的存在需要额外的能量。而拓扑导体则不同：在这里，一个未配对的电子在一对 MZMs 之间共享，使其对环境不可见。正是这种独特的特性，保护了量子信息。
虽然这使拓扑导体成为量子比特的理想候选者，但也带来了一个挑战：我们如何读取被如此好地隐藏起来的量子信息？我们如何区分，比如说，1,000,000,000 和 1,000,000,001 个电子？
解决这个测量挑战的方案如下：使用数字开关将纳米线的两端连接到量子点。这种连接增加了量子点存储电荷的能力。关键在于，具体增加多少取决于纳米线的「宇称」状态。使用微波来测量这种变化。量子点存储电荷的能力决定了微波如何从量子点反射。因此，返回的微波携带着纳米线量子态的印记。
实验结果显示，微软设计的新器件使这些变化足够大，可以在单次读取中可靠地测量，并且展现出令人印象深刻的稳定性。目前，初始测量的错误率为 1%，但微软表示，已经找到了显著降低这一比率的明确途径。外部能量（如电磁辐射）可能会打断「库珀对」，产生未配对电子，这可能使量子比特的状态从偶数「宇称」翻转到奇数「宇称」。然而，最新结果表明这种情况很少发生，平均每毫秒只发生一次。这表明包裹处理器的屏蔽层能有效地阻挡这种辐射吗，目前，微软正在探索进一步降低这种情况发生频率的方法。
如果希望应用更有商业价值，就需要在百万量子比特上执行万亿量级的运算，但现有的方法都是依赖于对每个量子比特进行精细的模拟控制，因而难以实现。但现在有了微软的新方法，就可以直接实现量子比特的数字化控制了！这就从根本上重新定义了量子计算的运作方式，而且将其极大简化。
这种读出技术实现了一种从根本上不同的量子计算方法，即利用测量来执行计算。传统量子计算需要通过精确角度旋转量子态，这就要求为每个量子比特定制复杂的模拟控制信号。这使量子纠错（QEC）变得复杂，因为它必须依赖这些相同的敏感操作来检测和纠正错误。而微软基于测量的方法大大简化了量子纠错。通过测量来执行错误纠正，这些测量由简单的数字脉冲激活，用于连接和断开量子点与纳米线的连接。这种数字控制方式使管理实际应用所需的大量量子比特变得切实可行。
现在，核心构建模块已经得到证实 —— 量子信息编码在 MZMs 中，受拓扑保护，并通过测量进行处理。现在，微软已准备好从物理突破，走向实际应用。
下一步是，将围绕一个称为四端子量子比特（tetron）的单量子比特器件构建可扩展架构（见图 2）。其中一个基本操作 —— 测量 tetron 中一个拓扑纳米线的宇称。另一个关键操作是使量子比特处于「宇称态」的叠加态。
后者同样是通过量子点的微波反射测量来实现的，但在不同的测量配置中，微软将第一个量子点从纳米线解耦，并在器件一端将不同的量子点连接到两条纳米线。通过执行这两个正交的泡利测量（Pauli measurements，Z 和 X），他们已经证明了基于测量的控制 —— 这是一个关键里程碑，为路线图上的下一步铺平了道路。
微软路线图现在系统地指向可扩展的量子纠错，下一步将涉及 4×2 tetron 阵列。团队首先将使用两个量子比特子集来演示量子纠缠和基于测量的编织变换（braiding transformations）。随后，使用全部八个量子比特阵列，再对两个逻辑量子比特实施量子错误检测。拓扑量子比特的内置错误保护简化了量子纠错。此外，与之前最先进的方法相比，微软的定制量子纠错码（QEC codes）将开销降低了约十倍。这种显著的减少意味着，可扩展系统不仅可以用更少的物理量子比特构建，而且有潜力实现更高的时钟频率。
一年半前，微软制定了实现量子超级计算机的路线图。而今天，他们达到了第二个重要里程碑，成功展示了世界上第一个拓扑量子比特。不仅如此，微软已经在一个可容纳百万量子比特的芯片设计中，成功集成了八个拓扑量子比特。
可以说，一台百万量子比特的量子计算机不仅仅是一个里程碑 —— 它更是解决世界上一些最棘手问题的关键。量子计算可以帮助破解材料腐蚀或开裂的复杂化学机理。这一突破可能催生出能够自动修复桥梁构件、飞机零件、碎裂手机屏幕甚至汽车划痕的智能材料。
由于塑料种类繁多，目前还无法找到一种通用的催化剂来分解各类塑料，这对于治理微塑料污染和应对碳排放尤为重要。量子计算有望通过精确计算催化剂特性，既可以将污染物转化为有价值的副产品，也可以从源头开发无毒替代材料。
通过量子计算提供的精确计算能力，人类可以更有效地利用酶在医疗卫生和农业领域的应用。这可能带来消除全球饥饿的重大突破：提升土壤肥力以增加农作物产量，或促进作物在恶劣气候条件下的可持续生长。
更令人激动的是，量子计算可以让工程师、科学家简单地设计一切，从医疗保健到产品开发。当量子计算的力量与 AI 相结合，人们就可以通过语言创建新材料或分子，直接得到答案，无需猜测或实验。
即使最强大的超算，也无法准确预测些决定未来关键材料性质的量子过程。但如今，我们有望迎来革命性创新，或许人类即将发现能修复桥梁裂缝的自修复材料、可持续农业技术，以及更安全的化学物质发现方法。现在许多需要投入巨额资金的实验研究，很可能用量子计算机就能直接获得结果。
总之，通往实用量子计算的道路已经清晰可见。
