微软昨夜在量子计算领域甩出一枚重磅“核弹”，正式推出Majorana 1——全球首个由拓扑核心驱动的量子处理器（QPU）。

微软董事长兼CEO萨蒂亚·纳德拉发文宣布：“这一突破将使我们在几年内，而不像一些人预测的那样用几十年，创造出一台真正有意义的量子计算机。”

这是微软运行时间最长的研究项目之一。过去17年，微软一直推进这项研究。他们已经能对迄今仅被理论化的亚原子粒子进行观察，还可以控制它。

这为量子计算创造了一种全新的材料和架构——可将100万量子比特塞进一颗巴掌大小的单芯片。

Majorana 1小到只有0.01毫米宽，已实现将8个拓扑量子比特放在单芯片上，未来这个芯片将能扩展至百万级量子比特。

而世界上所有当前计算机的协同运行，都无法完成一台100万量子比特的量子计算机能够完成的任务。

100万量子比特意味着什么？

量子计算机可以模拟得非常精确，将解决当今世界所有计算机的综合能力所无法解决的问题，比如将微塑料分解成无害的副产品、发明自修复材料，有望彻底改变医学、药物研发、材料科学乃至我们对自然世界的理解。

不仅如此，量子计算机还能增强AI能力，推动更多前沿发现。

Majorana 1的革命性突破在于运用了全新材料“拓扑导体”（topoconductor），标志着人类向实用化量子计算迈出关键一步。

微软还宣布在实用量子计算的道路上取得如下进展：

1、硬件级保护型拓扑量子比特 ：结合今日Nature论文及Station Q会议披露的技术细节，微软率先利用新型材料和设计一种完全不同类型的微型、高速、支持全数字化调控的量子比特。

2、可靠量子计算的设备路线图：从单量子比特到实现量子纠错的阵列结构。

3、构建世界上第一个基于拓扑量子比特的容错原型（FTP）：作为美国国防高级研究计划局（DARPA）实用规模量子计算未充分探索系统（US2QC）计划的最终阶段的一部分，微软正在按计划构建可扩展量子计算机的FTP（只需数年而不是数十年）。

这些里程碑共同标志着从科学探索向技术创新迈进的量子计算关键时刻，将重新定义量子旅程的下一阶段如何进行。

Dwarkesh播客节目第一时间放出对纳德拉的专访。纳德拉谈道，今年是微软成立50周年，微软在量子计算领域已经研究了大约30年，现在有了物理学和制造技术上的突破，接下来要做的是构建第一台容错量子计算机。

他希望用量子计算机来取代一些高性能计算，并帮助我们应对这个星球上面临的所有挑战。

通往百万量子比特的路径：

世界上第一个拓扑导体

量子世界遵循量子力学定律，这与我们所见世界的物理定律不同。这些粒子被称为量子比特，类似于计算机现在使用的比特，即1和0。

量子比特非常敏感，极易受到来自环境的干扰和误差的影响，从而导致它们崩溃和信息丢失。它们的状态也会受到测量的影响，这造成了问题，因为测量对于计算至关重要。一个固有挑战是开发一个可以测量和控制的量子比特，同时提供保护以防止环境噪声破坏它们。

量子比特可以通过不同的方式创建，每种方式都有优点和缺点。将近20年前，微软决定采用一种独特的方法：开发拓扑量子比特。

微软认为，这将提供更稳定的量子比特，需要更少的纠错，从而释放速度、尺寸和可控性优势。

这种方法的学习曲线很陡峭，需要未知的科学和工程突破，但也是创建可扩展和可控的量子比特、能够完成具有商业价值的工作的最有希望的途径。

它们在自然界中并不存在，只能通过磁场和超导体诱导而产生。开发合适的材料来制造奇异粒子及其相关的物质拓扑状态的难度，是大多数量子研究都集中在其他类型的量子比特上的原因。

直到近期，微软试图使用的奇异粒子——马约拉纳（Majorana）粒子，才被人发现或制造出来。

这基于其团队的最新重大成果：全球首个拓扑导体。

拓扑导体，又称拓扑超导体，是一种特殊的材料，可以创造一种全新的物质状态——不是固体、液体或气体，而是拓扑状态。

利用这种状态可以产生更稳定的量子比特。拓扑量子比特进展的精妙之处在于，它这种量子比特速度快、体积小，并且可以数字控制，无需像目前的替代方案那样进行权衡，具有无可比拟的扩展能力。

微软在发表于Nature的一篇新论文中概述了如何创建拓扑量子比特的奇异量子特性并准确测量它们，这是实用计算的必要步骤。

论文链接：nature.com/articles/s41586-024-08445-2

这一突破需要开发一种由砷化铟（半导体）和铝（超导体）制成的全新材料堆栈，其中大部分都是微软逐个原子设计和制造的。

其目标是诱导出名为马约拉纳粒子的新量子粒子，并利用其独特性质进入量子计算的下一个领域。

当冷却到接近绝对零度并用磁场调节时，这些设备会形成拓扑超导纳米线（nanowire），导线末端具有马约拉纳零模式（MZM）。

近一个世纪以来，这些准粒子只存在于教科书中。去年，微软第一次观察到马约拉纳粒子。而现在，微软可以根据需要，在拓扑导体中创建和控制它们了。

MZM是量子比特的构建块，通过“奇偶校验”存储量子信息——导线包含偶数还是奇数个电子。

在传统超导体中，电子结合成库珀对并无阻力移动。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。

拓扑导体有所不同：在这里，一对MZM之间共享一个未配对的电子，使其对环境不可见。这种独特的属性保护了量子信息。

虽然这使得拓扑导体成为量子比特的理想候选者，但它也带来了一个挑战：如何读取隐藏得如此好的量子信息？如何区分1,000,000,000个电子和1,000,000,001个电子？

微软对这一测量挑战的的解决方案如下：

1、通过数字开关将纳米线两端耦合至量子点（储存电荷的微型半导体结构）。

2、这种连接提高了点保持电荷的能力。确切的增加取决于纳米线的奇偶校验。

3、用微波测量这种变化。量子点保持电荷的能力决定了微波如何从量子点反射。因此，它们会带着纳米线量子态的印记返回。

微软设计的设备足以实现在单次测量中可靠测量，最初测量误差率为1%，并且已有明确路径来显著降低这一误差。

▲读取拓扑量子比特的状态

微软的系统表现出了令人印象深刻的稳定性。外部能量（例如电磁辐射）可以破坏库珀对，产生不成对的电子，从而将量子比特的状态从偶数变为奇数。但其结果表明这种情况很少见，平均每毫秒只发生一次。这表明包裹其处理器的屏蔽层可以有效地阻挡此类辐射。微软正在探索进一步减少这种情况的方法。

量子计算需要设计一种专门用于实现量子计算的新物质状态。微软的读出技术已经非常精确，这表明其正在利用这种奇异的物质状态进行量子计算。

这种读出技术实现了从根本上不同的量子计算方法，其中使用测量来执行计算。

通过数字精度彻底改变量子控制

从物理学到工程学

传统芯片用电子完成计算。Majorana 1芯片不使用电子，而使用马约拉纳粒子进行计算，它是半个电子。

微软不仅能够创建马约拉纳粒子，帮助保护量子信息免受随机干扰，而且还可以使用微波可靠地测量它们的信息。

世界上第一个为Majorana 1提供动力的拓扑核心在设计上是可靠的，在硬件层面融入了抗错误功能，使其更加稳定。

具有商业重要性的应用，需对100万量子比特进行数万亿次运算。而当前的方法依赖于对每个量子比特进行精细调整的模拟控制，这超出了现有方法的承受范围。

传统量子计算以精确的角度旋转量子态，需要为每个量子位定制复杂的模拟控制信号。这使量子纠错 （QEC）变得复杂，因为量子纠错必须依靠这些同样敏感的操作来检测和纠正错误。

马约拉纳粒子隐藏了量子信息，使其更加可靠，但也更难测量。微软团队的新测量方法非常精确，可以检测到超导导线中十亿个电子和十亿个电子之间的差异——这告诉计算机量子比特处于什么状态，并构成量子计算的基础。

具体而言，微软基于测量的方法完全通过由连接和断开量子点与纳米线的简单数字脉冲激活的测量来执行误差校正。这种数字控制，使得管理实际应用所需的大量量子比特变得切实可行，重新定义并大大简化了量子计算的工作原理。

测量可以通过电压脉冲来开启和关闭，就像轻按电灯开关一样，而不必为每个单独的量子比特微调刻度盘。这种更简单的测量方法可以实现数字控制，从而简化了量子计算过程和构建可扩展机器的物理要求。

微软的拓扑量子比特还因其尺寸而比其他量子比特更具优势。

据研究人员分享，即便是如此微小的量子比特，也存在一个“适中”区域，太小的量子比特很难运行控制线，而太大的量子比特则需要一台巨大的机器。为这些类型的量子比特添加个性化控制技术将需要建造一台不切实际的计算机，其大小相当于一个飞机库或足球场。

Majorana 1是微软的量子芯片，包含量子比特和周围的控制电子设备，小到可以握在手掌中，并能整齐地装入量子计算机中，而量子计算机可轻松部署在微软Azure数据中心内。

目前Majorana 1已经拥有8个拓扑量子比特。

通过展示核心构建模块——在MZM中编码、受拓扑保护并通过测量处理的量子信息，微软称他们已准备好从物理突破转向实际应用。

微软的拓扑量子比特架构将铝纳米线连接在一起形成一个 H。每个H有4个可控的马约拉纳粒子，构成一个量子比特。这些H也可以连接起来，像许多瓷砖一样分布在芯片上。

下一步是围绕单量子比特设备（称为Tetron）构建可扩展架构。在Station Q会议上，微软分享了演示此量子比特基本操作的数据。一项基本操作（测量Tetron中拓扑纳米线之一的奇偶性）使用了微软在Nature论文中描述的相同技术。

▲实现容错量子计算的路线图

图中第一幅图展示了一个单量子比特设备。tetron由两条平行拓扑线（蓝色）组成，两端各有一个MZM（橙色点），由一条垂直的平凡超导导线（浅蓝色）连接。

第二幅图展示了一个支持基于测量的编织转换的双量子比特设备。第三幅图显示了一个4×2 tetron阵列，支持在两个逻辑量子比特上进行量子错误检测演示。这些演示建立在量子纠错的基础上，如右图所示的设备（27×13 tetron阵列）。

另一个关键操作是将量子比特置于奇偶校验态的叠加中。这也是通过对量子点进行微波反射测量来实现的，但测量配置不同，微软将第一个量子点与纳米线分离，并将另一个点连接到设备一端的两条纳米线上。通过执行这两个正交的泡利测量Z和X，微软展示了基于测量的控制，这是开启其路线图下一步的关键里程碑。

微软路线图现在系统地指向可扩展的QEC。下一步将涉及4×2四量子阵列。他们将首先使用一个双量子比特子集来演示纠缠和基于测量的编织变换，然后将使用整个8量子比特阵列在2个逻辑量子比特上实现量子误差检测。

拓扑量子比特的内置错误保护简化了QEC。此外，与之前的先进方法相比，其自定义QEC代码将开销减少到大约1/10。

这种大幅减少意味着其可扩展系统可以用更少的物理量子比特构建，并有可能以更快的时钟速度运行。

量子芯片不能单独工作。它存在于一个生态系统中。这个生态系统具有控制逻辑、一个将量子比特保持在比外太空低得多的温度的稀释制冷机，还有一个可以与AI和传统计算机集成的软件栈。所有这些部件都是完全在内部构建或修改的。

继续完善这些流程并让所有元素以更快的规模协同工作将需要更多年的工程工作。但微软称，许多艰难的科学和工程挑战现在已经得到解决。

已进入DAPRA

严格基准测试最终阶段

除了制造自己的量子硬件之外，微软还与Quantinuum和Atom Computing合作，利用当今的量子比特取得科学和工程突破，包括去年宣布推出业界首台可靠的量子计算机。

这些类型的机器为开发量子技能、构建混合应用程序和推动新发现提供了重要的机会，特别是当AI与由大量可靠量子比特驱动的新量子系统相结合时。

如今，Azure Quantum提供了一套集成解决方案，使客户能够利用Azure中领先的AI、高性能计算和量子平台来推进科学发现。

美国DARPA已选定微软作为两家进入其严格基准测试计划最终阶段的公司之一，该计划名为实用级量子计算未开发系统（US2QC），是DARPA大型量子基准测试计划（QBI）的组成部分之一。微软认为这是对其构建具有拓扑量子比特容错量子计算机路线图的认可。

DARPA的US2QC计划及其更广泛的量子基准测试计划代表了一种严格的方法来评估量子系统，这些系统可以解决超出传统计算机能力的问题。

此前，DARPA评估微软可以在合理的时间内构建出实用级量子计算机，因此选择了微软进行早期阶段的研究。随后，DARPA评估了微软量子团队的容错量子计算机架构设计和工程计划。经仔细分析，DARPA和微软签署了一项协议，开始该项目的最后阶段。

在此阶段，微软计划在数年内（而不是数十年内）构建基于拓扑量子位的容错原型，这是迈向实用级量子计算的关键加速步骤。

这将实现一种能提供100万个或更多量子比特并实现数万亿次快速可靠操作的量子架构。

它们可以使用量子力学以惊人的精度在数学上描绘自然界的行为方式，从化学反应到分子相互作用和酶能量。

百万级量子比特机器应该能够解决化学、材料科学和其他行业中某些类型的问题，而这些问题是当今的传统计算机无法准确计算的。

例如，它们可以帮助解决材料为何会遭受腐蚀或开裂的化学难题。这可能导致自修复材料出现，用于修复桥梁或飞机部件的裂缝、破碎的手机屏幕或刮伤的车门。

由于塑料种类繁多，目前还无法找到一种可以分解塑料的万能催化剂——这对于清理微塑料或解决碳污染尤为重要。量子计算可以计算此类催化剂的性质，将污染物分解成有价值的副产品或首先开发无毒替代品。

酶是一种生物催化剂，由于只有量子计算才能提供对其行为的精确计算，酶可以更有效地应用于医疗保健和农业。这可能会带来突破性进展，帮助消除全球饥饿：提高土壤肥力以提高产量或促进恶劣气候条件下粮食的可持续生长。

研究人员说，让材料正确堆叠以产生物质的拓扑状态是最困难的部分之一。微软的拓扑导体不是由硅制成，而是由砷化铟制成，这种材料目前用于红外探测器等应用，具有特殊性质。半导体与超导性相结合，形成了一种混合物。

理解这些材料非常困难，有了可扩展的量子计算机，人们将能够预测具有更好性能的材料，进而能够构建下一代超越规模的量子计算机。

最重要的是，量子计算可以让工程师、科学家、公司和其他人员第一次就设计出正确的产品——这将为从医疗健康到产品开发等各个领域带来变革。

量子计算的强大功能与AI工具相结合，可以让人们用通俗易懂的语言描述他们想要创造什么样的新材料或分子，并立即得到可行的答案——无需猜测或多年的反复试验。

“任何制造任何东西的公司都可以在第一次就设计出完美的产品。它会给你答案，”微软技术研究员说，“量子计算机教会AI自然语言，这样AI就可以告诉你想要制造什么的配方。”

结语：百万量子比特开启

未来之门，将推动材料科学革新

18个月前，微软制定了量子超算路线图。今天，微软已经实现第二阶段的目标——展示了世界上第一个拓扑量子比特。微软已经在一颗设计为容纳100万个量子比特的芯片上集成了8个拓扑量子比特。

百万量子比特的量子计算机不仅仅是一个里程碑，更是解决世界上一些最困难问题的途径。

即使是当今最强大的超级计算机，也无法准确预测决定未来必不可少的材料特性的量子过程。但这种规模的量子计算可以带来创新，例如修复桥梁裂缝的自修复材料、可持续农业和更安全的化学发现。

今天需要耗资数十亿美元进行的详尽实验探索，可以用量子计算机取而代之。

微软通往实用量子计算的路径很清晰，基础技术已得到验证。微软相信其架构是可扩展的，他们正不懈朝着目标前进——建造一台能够推动科学发现并解决重要问题的量子机器。

我们正处于量子时代的开端，而Majorana 1只是个开始。

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