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微軟20年精煉，全球首個拓?fù)淞孔有酒鰻t！巴掌大芯片碾壓全球超算

新智元整合編輯：太平洋科技發(fā)布于：2025-02-23 00:15

物質(zhì)有三態(tài)，固液氣。但從今天起，物理學(xué)教科書要徹底被改寫了！

近日，微軟團(tuán)隊重磅發(fā)布全球首個基于拓?fù)浼軜?gòu)的量子芯片——Majorana 1。

這塊巴掌大的芯片，未來將容納一百萬個量子比特。

它不僅僅是一塊芯片，更是一種超越固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)的全新物質(zhì)形態(tài)，標(biāo)志著量子計算邁入一個全新的時代。

最新研究已于19日發(fā)表在了頂刊Nature上。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2

與傳統(tǒng)量子計算相比，Majorana 1具有更高容錯能力、更強(qiáng)的抗干擾性，可以在復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)行。

拓?fù)鋵?dǎo)體制造的量子比特，更快速、更可靠、更小尺寸的優(yōu)勢，每個量子比特尺寸僅為0.01mm。

這意味著，未來就可以輕易打造出擁有100萬個量子比特的處理器。

納德拉表示，「一塊可以輕松握在掌心的芯片，能夠解決當(dāng)今地球上所有超級計算都無法突破的難題」。

就比如，分解塑料、設(shè)計自我修復(fù)的材料、藥物發(fā)現(xiàn)等等化學(xué)、生命科學(xué)、生物學(xué)中的問題，未來都能被攻克。

納德拉預(yù)測，如果將AI與量子計算結(jié)合，量子計算可以用來生成合成數(shù)據(jù)；然后，AI可以利用這些數(shù)據(jù)訓(xùn)練更好的模型，應(yīng)用于化學(xué)、物理等復(fù)雜領(lǐng)域

更值得一提的是，開發(fā)出全新的拓?fù)淞孔颖忍�，是微軟團(tuán)隊近20年磨一劍的成果。

上個月，老黃曾預(yù)言量子計算還有20年才能實用，如今這一觀點(diǎn)要被顛覆了。

Majorana 1橫空出世，意味著人類能夠在幾年內(nèi)，而不是幾十年后，打造出具有現(xiàn)實意義的量子計算機(jī)。

納德拉激動表示：這不是在炒作技術(shù)，而是在創(chuàng)造真正能服務(wù)于世界的科技。

就連馬斯克也激動轉(zhuǎn)發(fā)，量子計算的突破越來越多！

網(wǎng)友驚呼，原來物質(zhì)世界還有另一種狀態(tài)。

量子時代，需要全新「晶體管」

Majorana 1量子芯片，是全球首款采用新型「拓?fù)溆嬎愫诵摹梗═opological Core）架構(gòu)的量子芯片（QPU）。

它采用了全球首創(chuàng)的「拓?fù)鋵?dǎo)體」。

拓?fù)鋵?dǎo)體（也稱拓?fù)涑瑢?dǎo)體）是一種特殊類別的材料，能夠創(chuàng)造出全新的物質(zhì)狀態(tài)——這既不是固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)，而是拓?fù)淞孔討B(tài)。

這種突破性材料，能夠觀察和控制馬約拉納粒子（Majorana particles），從而制造出更可靠、更具擴(kuò)展性的量子比特——量子計算機(jī)的基本構(gòu)建單元。

研究人員利用這一特性，能夠產(chǎn)生更穩(wěn)定的量子比特。

這種量子比特不僅運(yùn)算速度快、微型化、數(shù)字化可控，而且無需像現(xiàn)有方案那樣作出巨大的取舍。

正如半導(dǎo)體的發(fā)明，使當(dāng)今的智能手機(jī)、計算機(jī)和電子設(shè)備成為可能一樣，拓?fù)鋵?dǎo)體加持的新型量子芯片，將會開辟全新的應(yīng)用途徑。

量子時代，需要全新的晶體管。

用于開發(fā)Majorana 1量子芯片的這種新架構(gòu)，為在一個可以放入手掌的單個芯片上集成百萬量子比特提供了明確的技術(shù)路徑。

需要明確的是，微軟已經(jīng)在一枚可擴(kuò)展至百萬量子比特規(guī)模的芯片上，成功集成了8個拓?fù)淞孔颖忍亍?/span>

從單個量子比特到自動糾錯的量子計算陣列，是一條實現(xiàn)可靠量子計算的必經(jīng)之路

100萬量子比特，是量子計算機(jī)實現(xiàn)變革性實際應(yīng)用所需的關(guān)鍵閾值。

比如，將微塑料分解為無害的副產(chǎn)品，或者發(fā)明應(yīng)用于建筑、制造或醫(yī)療保健領(lǐng)域的自修復(fù)材料。

即便將當(dāng)今世界上所有計算機(jī)的算力集中在一起，也無法完成未來一臺百萬量子比特計算機(jī)所能完成的任務(wù)。

也就是說，這一系統(tǒng)擴(kuò)展至百萬量子比特規(guī)模后，在解決最復(fù)雜的工業(yè)和社會問題上，也可以得心應(yīng)手。

微軟預(yù)計，這一突破將使量子計算機(jī)能在未來幾年內(nèi)，而非幾十年后，解決具有實際意義的工業(yè)級問題。

要知道，商業(yè)上重要的應(yīng)用需要數(shù)萬億噸的操作，此前依賴每個量子微調(diào)模擬控制的方法，幾乎不可能完成。但如今，不可能已經(jīng)變?yōu)榭赡堋?/span>

目前，微軟內(nèi)部正在構(gòu)建世界首個基于拓?fù)淞孔颖忍氐娜蒎e原型機(jī)（FTP），計劃將在未來幾年內(nèi)問世。它也是美國DARPA「實用規(guī)模量子計算未充分探索系統(tǒng)」（US2QC）項目最后階段的一部分。

搭載在Majorana 1上的全球首個拓?fù)溆嬎愫诵牡目煽啃耘c生俱來，這是因為它在硬件層面上集成了容錯能力，因而穩(wěn)定性更高。

20多年前，微軟決定攻克拓?fù)淞孔颖忍卦O(shè)計這個項目，充滿挑戰(zhàn)，但潛力巨大。

他們采取的這種獨(dú)特方法，面臨著陡峭的學(xué)習(xí)曲線，需要前所未有的科學(xué)和工程突破。然而，也只有這種方法，是通往可擴(kuò)展、可控量子比特最有希望的道路。

今日的重大進(jìn)展證明，微軟多年前的戰(zhàn)略選擇沒有錯！

微軟研究員Matthias Troyer表示：「從一開始，我們就希望打造一臺能產(chǎn)生商業(yè)影響的量子計算機(jī)，而不僅僅是引領(lǐng)思想潮流。我們知道，我們需要一種全新的量子比特，我們必須實現(xiàn)規(guī)�；�

拓?fù)鋵?dǎo)體，量子計算新基石

世界首個拓?fù)鋵?dǎo)體，一種此前僅存在于理論中的新物質(zhì)狀態(tài)，如何打造的？

據(jù)介紹，一種由砷化銦（一種半導(dǎo)體）和鋁（一種超導(dǎo)體）構(gòu)成的全新的材料體系，即柵控器件（gate-defined devices），才得以實現(xiàn)。

其中大部分材料，都是由微軟通過逐個「原子級精度」設(shè)計和制造。

當(dāng)冷卻到接近絕對零度并通過磁場調(diào)節(jié)時，這些器件形成拓?fù)涑瑢?dǎo)納米線，在納米線的兩端具有「馬約拉納零模」（Majorana Zero Modes，簡稱MZMs）。

接下來的研究目標(biāo)是，誘導(dǎo)一種稱為馬約拉納（Majorana）的新型量子粒子產(chǎn)生。

近一個世紀(jì)以來，這些準(zhǔn)粒子僅存在于教科書中。現(xiàn)在，人類可以在拓?fù)鋵?dǎo)體中按需創(chuàng)建、控制它們。

MZMs是量子比特的基本構(gòu)建塊，通過「宇稱」（parity），即納米線中包含偶數(shù)還是奇數(shù)個電子來存儲量子信息。

在傳統(tǒng)超導(dǎo)體中，電子結(jié)合成庫珀對（Cooper pair）并無阻力地移動。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。

而拓?fù)鋵?dǎo)體則不同：在這里，一個未配對的電子在一對MZMs之間共享，使其對環(huán)境不可見。

正是這種獨(dú)特的特性，保護(hù)了量子信息。

雖然這使拓?fù)鋵?dǎo)體成為量子比特的理想候選者，但也帶來了一個挑戰(zhàn)：我們?nèi)绾巫x取被如此好地隱藏起來的量子信息？

我們?nèi)绾螀^(qū)分，比如說，1,000,000,000和1,000,000,001個電子？

圖1：拓?fù)淞孔颖忍貭顟B(tài)的讀取

解決這個測量挑戰(zhàn)的方案如下：

使用數(shù)字開關(guān)將納米線的兩端連接到量子點(diǎn)。

這種連接增加了量子點(diǎn)存儲電荷的能力。關(guān)鍵是，具體增加多少取決于納米線的「宇稱」?fàn)顟B(tài)。

使用微波來測量這種變化。量子點(diǎn)存儲電荷的能力決定了微波如何從量子點(diǎn)反射。因此，返回的微波攜帶著納米線量子態(tài)的印記。

實驗結(jié)果顯示，微軟設(shè)計的新器件使這些變化足夠大，可以在單次讀取中可靠地測量，并且展現(xiàn)出令人印象深刻的穩(wěn)定性。

目前，初始測量的錯誤率為1%，但微軟表示，已經(jīng)找到了顯著降低這一比率的明確途徑。

外部能量（如電磁輻射）可能會打斷「庫珀對」，產(chǎn)生未配對電子，這可能使量子比特的狀態(tài)從偶數(shù)「宇稱」翻轉(zhuǎn)到奇數(shù)「宇稱」。

然而，最新結(jié)果表明這種情況很少發(fā)生，平均每毫秒只發(fā)生一次。

這表明包裹處理器的屏蔽層能有效地阻擋這種輻射嗎，目前，微軟正在探索進(jìn)一步降低這種情況發(fā)生頻率的方法。

超精確讀出技術(shù)，數(shù)字化可控

如果希望應(yīng)用更有商業(yè)價值，就需要在百萬量子比特上執(zhí)行萬億量級的運(yùn)算，但現(xiàn)有的方法都是依賴于對每個量子比特進(jìn)行精細(xì)的模擬控制，因而難以實現(xiàn)。

但現(xiàn)在有了微軟的新方法，就可以直接實現(xiàn)量子比特的數(shù)字化控制了！

這就從根本上重新定義了量子計算的運(yùn)作方式，而且將其極大簡化。

這種讀出技術(shù)實現(xiàn)了一種從根本上不同的量子計算方法，即利用測量來執(zhí)行計算。

傳統(tǒng)量子計算需要通過精確角度旋轉(zhuǎn)量子態(tài)，這就要求為每個量子比特定制復(fù)雜的模擬控制信號。這使量子糾錯（QEC）變得復(fù)雜，因為它必須依賴這些相同的敏感操作來檢測和糾正錯誤。

而微軟基于測量的方法大大簡化了量子糾錯。

通過測量來執(zhí)行錯誤糾正，這些測量由簡單的數(shù)字脈沖激活，用于連接和斷開量子點(diǎn)與納米線的連接。這種數(shù)字控制方式使管理實際應(yīng)用所需的大量量子比特變得切實可行。

從物理學(xué)到工程學(xué)

現(xiàn)在，核心構(gòu)建模塊已經(jīng)得到證實——量子信息編碼在MZMs中，受拓?fù)浔Ｗo(hù)，并通過測量進(jìn)行處理。

現(xiàn)在，微軟已準(zhǔn)備好從物理突破，走向?qū)嶋H應(yīng)用。

下一步是，將圍繞一個稱為四端子量子比特（tetron）的單量子比特器件構(gòu)建可擴(kuò)展架構(gòu)（見圖2）。

其中一個基本操作——測量tetron中一個拓?fù)浼{米線的宇稱。另一個關(guān)鍵操作是使量子比特處于「宇稱態(tài)」的疊加態(tài)。

后者同樣是通過量子點(diǎn)的微波反射測量來實現(xiàn)的，但在不同的測量配置中，微軟將第一個量子點(diǎn)從納米線解耦，并在器件一端將不同的量子點(diǎn)連接到兩條納米線。

通過執(zhí)行這兩個正交的泡利測量（Pauli measurements，Z和X），他們已經(jīng)證明了基于測量的控制——這是一個關(guān)鍵里程碑，為路線圖上的下一步鋪平了道路。

圖2：使用四子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)容錯量子計算的路線圖。第一個子圖展示了單量子比特裝置：四子結(jié)構(gòu)由兩條平行的拓?fù)鋵?dǎo)線（藍(lán)色）組成，每個末端具有一個馬約拉納零模（橙色點(diǎn)），并由一條垂直的普通超導(dǎo)導(dǎo)線（淺藍(lán)色）連接。第二個子圖展示了支持基于測量的編織變換的雙量子比特裝置。第三個子圖顯示了一個4×2的四子結(jié)構(gòu)陣列，用于演示兩個邏輯量子比特的量子錯誤檢測。這些演示為量子糾錯技術(shù)鋪平道路，如右側(cè)子圖所示的裝置（一個27×13的四子結(jié)構(gòu)陣列）

微軟路線圖現(xiàn)在系統(tǒng)地指向可擴(kuò)展的量子糾錯，下一步將涉及4×2 tetron陣列。

團(tuán)隊首先將使用兩個量子比特子集來演示量子糾纏和基于測量的編織變換（braiding transformations）。隨后，使用全部八個量子比特陣列，再對兩個邏輯量子比特實施量子錯誤檢測。

拓?fù)淞孔颖忍氐膬?nèi)置錯誤保護(hù)簡化了量子糾錯。

此外，與之前最先進(jìn)的方法相比，微軟的定制量子糾錯碼（QEC codes）將開銷降低了約十倍。

這種顯著的減少意味著，可擴(kuò)展系統(tǒng)不僅可以用更少的物理量子比特構(gòu)建，而且有潛力實現(xiàn)更高的時鐘頻率。

開啟量子計算的無限可能

一年半前，微軟制定了實現(xiàn)量子超級計算機(jī)的路線圖。

而今天，他們達(dá)到了第二個重要里程碑，成功展示了世界上第一個拓?fù)淞孔颖忍亍?/span>

不僅如此，微軟已經(jīng)在一個可容納百萬量子比特的芯片設(shè)計中，成功集成了八個拓?fù)淞孔颖忍亍?/span>

可以說，一臺百萬量子比特的量子計算機(jī)不僅僅是一個里程碑——它更是解決世界上一些最棘手問題的關(guān)鍵。

量子計算可以幫助破解材料腐蝕或開裂的復(fù)雜化學(xué)機(jī)理。這一突破可能催生出能夠自動修復(fù)橋梁構(gòu)件、飛機(jī)零件、碎裂手機(jī)屏幕甚至汽車劃痕的智能材料。

由于塑料種類繁多，目前還無法找到一種通用的催化劑來分解各類塑料，這對于治理微塑料污染和應(yīng)對碳排放尤為重要。量子計算有望通過精確計算催化劑特性，既可以將污染物轉(zhuǎn)化為有價值的副產(chǎn)品，也可以從源頭開發(fā)無毒替代材料。

通過量子計算提供的精確計算能力，人類可以更有效地利用酶在醫(yī)療衛(wèi)生和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。這可能帶來消除全球饑餓的重大突破：提升土壤肥力以增加農(nóng)作物產(chǎn)量，或促進(jìn)作物在惡劣氣候條件下的可持續(xù)生長。

更令人激動的是，量子計算可以讓工程師、科學(xué)家簡單地設(shè)計一切，從醫(yī)療保健到產(chǎn)品開發(fā)。

當(dāng)量子計算的力量與AI相結(jié)合，人們就可以通過語言創(chuàng)建新材料或分子，直接得到答案，無需猜測或?qū)嶒灐?/span>

即使最強(qiáng)大的超算，也無法準(zhǔn)確預(yù)測些決定未來關(guān)鍵材料性質(zhì)的量子過程。

但如今，我們有望迎來革命性創(chuàng)新，或許人類即將發(fā)現(xiàn)能修復(fù)橋梁裂縫的自修復(fù)材料、可持續(xù)農(nóng)業(yè)技術(shù)，以及更安全的化學(xué)物質(zhì)發(fā)現(xiàn)方法。

現(xiàn)在許多需要投入巨額資金的實驗研究，很可能用量子計算機(jī)就能直接獲得結(jié)果。

總之，通往實用量子計算的道路已經(jīng)清晰可見。

參考資料：

https://news.microsoft.com/source/features/ai/microsofts-majorana-1-chip-carves-new-path-for-quantum-computing/?ocid=FY25_soc_omc_br_x_QuantumMajorana

本文來源：新智元

微軟拓?fù)淞孔有酒?/a> 量子計算機(jī)

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