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微軟發佈了其最新的量子計算成果——Majorana 1 芯片，微軟這家公司竟然在量子計算領域的競爭中，打下了自己的標籤。

Majorana 1 芯片採用了獨特的拓撲量子比特架構，利用馬約拉納零模式（MZM）構建量子比特，相較於谷歌Willow處理器和中國的Zuchongzhi 3.0等競爭對手的傳統量子比特方法，展現出更高的穩定性和可擴展性潛力。

這是對量子計算硬件設計的重新思考，也爲實現百萬量子比特規模的量子超級計算機奠定了基礎。

我們從技術創新與實現方式、與其他競爭對手的對比兩個方面展開分析，並探討Majorana 1 的未來意義與挑戰。

Part 1

技術創新與實現方式

●拓撲量子比特的核心優勢

Majorana 1 芯片的核心在於其拓撲量子比特設計，這種設計基於馬約拉納零模式（MZM），一種存在於拓撲超導納米線末端的準粒子。

◎傳統的量子比特，例如谷歌Willow和Zuchongzhi 3.0所使用的超導量子比特，容易受到環境噪聲和干擾的影響，導致量子態的退相干。

◎而拓撲量子比特通過其拓撲性質，將量子信息編碼在全局屬性中，使其對局部擾動具有天然的抗干擾能力。

這種穩定性是微軟選擇這一路徑的根本原因，正如微軟量子硬件公司副總裁Chetan Nayak所言：“我們需要發明量子時代的晶體管，而穩定性是關鍵。”

Majorana 1 的拓撲量子比特通過鋁納米線以“H”形結構連接，每個“H”包含四個可控的馬約拉納粒子，構成一個量子比特。這種設計不僅提高了單個量子比特的穩定性，還通過類似瓷磚的平鋪方式實現了芯片的可擴展性。

微軟技術研究員Krysta Svore指出：“雖然創造這種新物質狀態的過程複雜，但一旦實現，其架構就變得簡單且易於擴展。”這種從複雜到簡單的轉變，是Majorana 1 在技術上的重要創新。

●材料工程與測量技術的突破

實現拓撲量子比特需要先進的材料工程支持。微軟團隊開發了一種由砷化銦（InAs）和鋁（Al）組成的新型材料堆棧，通過超導特性誘導馬約拉納粒子的產生。

這一成果在《自然》雜誌的論文《InAs-Al 混合設備中的干涉單次奇偶校驗測量》中得到了詳細闡述。材料的特殊組合與高質量的工藝流程，確保了馬約拉納粒子的穩定生成。

測量拓撲量子比特的狀態同樣具有挑戰性。微軟採用了數字開關將納米線兩端連接到量子點，通過微波測量量子點的電荷容量變化來推斷納米線的量子態。這種方法的獨特性在於，利用量子點的電荷保持能力和納米線的奇偶性實現了精確的量子態讀出。

測量過程中，系統實現了僅1%的分配錯誤概率，這得益於大電容偏移和長中毒時間的設計。這種低錯誤率和高穩定性的測量方式，爲後續的糾錯和大規模應用提供了技術保障。

●架構設計與百萬量子比特願景

Majorana 1 的架構設計不僅關注單個量子比特的性能，還着眼於整體的可擴展性。

微軟已經在單個芯片上集成了8個拓撲量子比特，並計劃擴展到百萬量子比特規模。Nayak強調：“無論在量子計算領域做什麼，都需要一條通往百萬量子比特的路徑。”這種設計理念與傳統方法形成了鮮明對比，後者往往更關注量子比特數量的短期增長，而非長期的可擴展性。

通過數字脈衝激活的測量機制，Majorana 1 還爲糾錯提供了可能性。數字控制方式能夠靈活地連接和斷開量子點與納米線，使管理大規模量子比特陣列成爲現實。這一特性爲微軟實現容錯量子計算奠定了基礎，儘管糾錯技術仍需進一步完善。

Part 2

與其他競爭對手的對比

●谷歌Willow：量子糾錯與計算速度的里程碑：谷歌的Willow處理器代表了超導量子計算的最新進展，擁有105個量子比特，並在量子糾錯和計算速度上取得了顯著突破。

Willow能夠在不到五分鐘內完成隨機電路採樣任務，而同樣的任務對於傳統超級計算機來說需要10的10次方年。這種指數級的計算優勢展示了量子計算的潛力，尤其是在特定任務上的表現。

然而，Willow的超導量子比特對環境噪聲敏感，需要極低的溫度和複雜的屏蔽技術來維持量子態的穩定性，這限制了其在可擴展性上的進一步發展。

●祖沖之三號：高保真度與優化電路：中國科學技術大學的祖沖之三號同樣採用超導量子比特，擁有105個量子比特，並在隨機電路採樣實驗中展示了量子計算優勢。

通過優化電路參數和芯片工藝，將單量子比特門的平均泡利誤差降低至0.10%，類iSwap門的誤差降低至0.38%，顯示較高的運算保真度。

儘管如此，其設計仍面臨與Willow相似的挑戰，即如何在保持高保真度的同時實現量子比特數量的大幅增加。

與谷歌和祖沖之三號相比，Majorana 1 的拓撲量子比特方法呈現出截然不同的發展路線。

◎谷歌和UTSC的重點在於通過增加量子比特數量和優化糾錯技術來展示量子優勢，而微軟則將穩定性與可擴展性置於首位。

◎拓撲量子比特的固有抗噪能力減少了對複雜糾錯系統的依賴，使其在理論上更適合大規模集成。

◎此外，Majorana 1 的“H”形架構和平鋪設計爲芯片擴展提供了簡潔的路徑，而超導量子比特的複雜佈線和冷卻需求可能在百萬量子比特規模上面臨瓶頸。

Majorana 1 的技術尚處於早期階段。儘管其理論優勢明顯，但實際性能（如計算速度和糾錯能力）仍需更多實驗驗證，微軟需要在後續發展中平衡理論創新與實際應用之間的差距。

小結

微軟的Majorana 1 芯片通過拓撲量子比特的創新設計，爲量子計算領域注入了一股新的活力。其對穩定性和可擴展性的關注，不僅是對現有技術的補充，也爲未來的量子超級計算機指明瞭一條可能的道路。量子計算正進入一個多元發展的階段，不同的技術路徑各有優劣，共同推動着這一領域的進步。

原文標題 : 微軟發佈量子計算芯片！Majorana 1 的拓撲量子比特革命