作者 | 榮智慧

編輯 | 向   由

唯物的中國芯片產業深度觀察

荷蘭，代爾夫特理工大學實驗室，一臺巨大銀色“冰箱”發出嗡鳴。透過觀察窗，科學家凝視着芯片表面納米線陣列的微光。微軟量子芯片“馬約拉納1號”的“心臟”冷卻至零下196攝氏度，一場冰封的算力革命即將揭曉。

2月19日，微軟宣佈穩定捕獲量子比特——通過人類手掌大小的“馬拉約納1號”芯片，90年來不曾顯出真身的“天使粒子”馬約拉納費米子，悄悄留下蛛絲馬跡。

不過，同一天其發表於《自然》的論文，沒有拿出馬拉約納費米子存在的確鑿證明，只拿出了中間過程的部分驗證。

微軟的“馬拉約納1號”芯片/圖源：微軟

微軟栽過跟頭。2018年在《自然》發表的“量化馬約拉納電導”論文，2021年被舉報至撤稿。原文“不恰當”地裁剪了實驗數據圖表，外部團隊重複實驗也得不到其宣稱的結果。

早在2005年，微軟就開始研究量子計算，成立“Q基地”。然而，谷歌、IBM和英特爾先後製造出了具備多個量子比特的量子計算機，微軟不得不靠大新聞“挽尊”。

量子計算是量子力學的研究應用成果之一，它依然是一種實驗性技術。如果微軟的研究成果能夠得到驗證，也許量子計算的前景有望不那麼“科幻”。

量子計算帶給人類最深刻的啓示，也許在於重新定義了“可能”與“不可能”的邊界。

當科學家凝視量子芯片上的納米線時，他們看到的不僅是電流與磁場，更是打開平行宇宙的鑰匙——那裏有所有可能的未來，而我們正通過量子計算，選擇其中一個成爲現實。

量子計算

微軟的量子計算路線，叫拓撲量子計算，簡稱“一步到位”路線。

要搞清楚拓撲量子計算，先要從搞清量子計算開始。

想象你正站在圖書館書架前，想要找到《哈姆雷特》裏的一句話。經典計算機的解決方式，是同時僱傭100個管理員，每人拿着書目編碼逐個書架搜索——這是串行計算。

量子計算，則是讓每位管理員都有“分身術”和“透視眼”，就像超人，能同時搜索所有書架，還能透過封面直接看內容。

量子計算的承載體是量子比特，量子比特是基本運算單元。如果說經典比特是0或1的硬幣，那麼量子比特就是旋轉的硬幣——同時處於0和1之間的任何兩個狀態的疊加態中，只是概率大小不同而已。

量子超級計算機的應用/圖源：微軟

經典比特是確定態，量子比特是概率幅的疊加。30個量子比特可同時表示2^30（約10億）種狀態，而30個經典比特只能表示其中一種狀態。

值得注意的是，量子比特必須進入並維持在量子態，纔有可能進行高效計算操作。但量子控制的難度實在太大。1999年，超導量子計算機概念提出。科學家發現，在超導狀態下量子比特更容易進入和維持量子態。

谷歌的路線就是“超導量子計算”，靠成熟的超導技術快速堆疊量子比特數量，用軟件糾錯來彌補硬件的缺陷。

而微軟公司使用拓撲架構，能大幅度減少環境干擾（退相干），讓量子比特長時間處於量子態，有利於進行計算。

首先，拓撲架構是很有必要的。拓撲的核心是，從絕對精確到模糊正確——允許局部誤差存在，只要整體結構不變。如同人體細胞，每天死亡再生，但只要器官拓撲關係保持，生命機能就可以持續運轉。

其次，在拓撲量子路線裏，人們定義了一種特殊粒子——幾個粒子在時間、空間上進行交換，它們的軌跡相當於在繩子上打了不同的結，代表着不同的信息。信息的存儲只依賴於交換的順序，不依賴於交換的具體路徑，所以不用擔心局部的微小擾動。

讀取拓撲量子比特的狀態/圖源：微軟

微軟的量子芯片“馬約拉納1號”，靠的就是特殊粒子——名爲馬約拉納費米子的亞原子粒子。

1937年，意大利物理學家埃託雷·馬約拉納預言了一種神祕粒子：它是自己的反粒子，如同現實世界中的鏡像。這種性質能夠保證量子化不受隧道耦合中無序、相互作用和變化的影響。

馬約拉納在現實世界中從來沒被穩定捕獲過，直到微軟團隊宣稱在超導—半導體異質結構中、通過拓撲量子效應將其"凍結"在芯片表面。

總而言之，這些納米級的量子比特，以拓撲結構“編織”成量子態網絡，實現量子計算。

“冷戰”到底？

微軟的拓撲量子計算路線，與IBM、谷歌的超導量子計算形成鮮明對比。

這有點像晶體管與電子管的代際差異：超導量子比特需要接近絕對零度（零下273攝氏度）的極端環境，而拓撲量子比特在更高溫度（零下196攝氏度）下就能維持量子態，其錯誤率比傳統量子系統低三個數量級。

2024年12月，谷歌推出名爲Willow的超導量子計算機，只用不到5分鐘的時間即可完成一項數學運算，而世界上最強大的超級計算機得算10萬億年——宇宙的“年紀”不保守估計也才300億年。

當然，這項計算是專門爲測試量子計算進展準備的，不是什麼在實際應用中派得上用場的計算。

谷歌推出了名爲Willow的超導量子計算機/圖源：谷歌

憑藉Willow，谷歌聲稱擁有“量子霸權”，意味着它擁有一臺誰也比不上的量子計算機，哪怕暫時沒什麼用。

專攻量子計算快20年的微軟，當然慌了。不到3個月，“馬約拉納1號”問世，意在染指“量子霸權”。

拓撲量子計算和超導量子計算，兩條路線的本質差異，一個以“守”爲主，一個以“攻”爲主。

微軟路線類似“裝甲車策略”。通過拓撲保護機制，減少對外部糾錯的依賴，追求硬件層面的穩定性，適合需要長期穩定運行的複雜模擬任務。

谷歌路線類似“閃電戰策略”。利用成熟超導技術快速堆疊量子比特數量，通過軟件糾錯彌補硬件缺陷，更適合需要快速迭代的算法驗證。

二者的競爭焦點，一是錯誤率，誰的錯誤低誰勝出；一是“冷戰”，如果微軟能把運行溫度提高到零下160攝氏度（乾冰級），就可以徹底改變量子計算機的部署成本。

微軟的量子材料實驗室內/圖源：微軟

然而，“馬約拉納1號”匆忙上馬，也不是沒有疑點。

在工程化方面，納米線製造工藝的良品率未知，複雜結構可能導致量產成本居高不下；拓撲保護的理論模型在更大規模系統中是否依然有效，仍需驗證。

在學術方面，部分學者質疑實驗中觀測到的馬約拉納粒子信號是否確鑿，認爲可能存在其他量子現象干擾；微軟未完全公開芯片的量子體積（Quantum Volume）等關鍵指標，性能評估缺乏第三方驗證。

在生態方面，拓撲量子計算依賴專屬算法和軟件棧，與“傳統”超導量子生態不兼容，也可能形成技術孤島。

降維打擊

遇事不決，量子力學，不只是一句玩笑。

量子力學實在很難理解，很多時候只能視其爲“玄學”。如果說在牛頓世界裏，宇宙是一臺上好發條的精密鐘錶，那麼在量子世界裏，宇宙就是一個隨機開盒、生成關卡的“肉鴿”（Roguelike）遊戲。

物理學家理查德·費曼曾在加州理工學院的黑板上畫下驚世預言："想要真正理解自然，我們必須用量子系統來模擬量子現象。" 這個看似循環的論斷，揭開了量子計算的序幕。

數學家彼得·秀兒在貝爾實驗室證明，量子計算可以輕鬆破解RSA加密體系。RSA是最有影響力的公鑰加密算法，密級最高的RSA密碼，當時最強大的計算機也得算幾百萬年，但使用1024量子比特的量子計算機，幾天就能破解。

使用1024量子比特的量子計算機，幾天就能破解密級最高的RSA密碼。圖爲谷歌的“Willow”超導量子計算機相關/圖源：視覺中國

愛因斯坦嘲諷量子糾纏是“鬼魂般的超距作用”時 ，當然沒有料到這一特性成爲量子計算的最大優勢之一，也沒有料到中國“墨子號”衛星演示了超過1200公里的量子糾纏現象。 

微觀世界的規則總是在挑戰宏觀世界的常識。

對量子最大的誤解，是人們常常把其視爲某種“物質”、某種粒子。實際上，量子既非粒子也非能量，而是宇宙運行的基礎規則。如同重力是物質間的相互作用法則，量子則是微觀世界的“概率雲法則”——就像肉鴿遊戲的“系統設定”。

爲什麼量子計算能在特定領域實現“降維打擊”，因爲它們不是更“快”地解決問題，而是它們用概率雲、糾纏態的方式呈現高維世界的解題“思路”。

這也許暗示，破解宇宙規律等終極命題，需要的不一定是更快、更大量的計算，而是完全不同的思維層次和思維維度。

當人們凝視量子芯片上閃爍的馬約拉納費米子的時候，也許正窺見宇宙這場精心設計的遊戲的設定攻略。

文中配圖部分來源於視覺中國，部分來源於網絡，首圖爲微軟的“馬拉約納1號”芯片

值班主編 | 吳擎

排版 | 菲菲

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