作者 | 荣智慧

编辑 | 向   由

唯物的中国芯片产业深度观察

荷兰，代尔夫特理工大学实验室，一台巨大银色“冰箱”发出嗡鸣。透过观察窗，科学家凝视着芯片表面纳米线阵列的微光。微软量子芯片“马约拉纳1号”的“心脏”冷却至零下196摄氏度，一场冰封的算力革命即将揭晓。

2月19日，微软宣布稳定捕获量子比特——通过人类手掌大小的“马拉约纳1号”芯片，90年来不曾显出真身的“天使粒子”马约拉纳费米子，悄悄留下蛛丝马迹。

不过，同一天其发表于《自然》的论文，没有拿出马拉约纳费米子存在的确凿证明，只拿出了中间过程的部分验证。

微软的“马拉约纳1号”芯片/图源：微软

微软栽过跟头。2018年在《自然》发表的“量化马约拉纳电导”论文，2021年被举报至撤稿。原文“不恰当”地裁剪了实验数据图表，外部团队重复实验也得不到其宣称的结果。

早在2005年，微软就开始研究量子计算，成立“Q基地”。然而，谷歌、IBM和英特尔先后制造出了具备多个量子比特的量子计算机，微软不得不靠大新闻“挽尊”。

量子计算是量子力学的研究应用成果之一，它依然是一种实验性技术。如果微软的研究成果能够得到验证，也许量子计算的前景有望不那么“科幻”。

量子计算带给人类最深刻的启示，也许在于重新定义了“可能”与“不可能”的边界。

当科学家凝视量子芯片上的纳米线时，他们看到的不仅是电流与磁场，更是打开平行宇宙的钥匙——那里有所有可能的未来，而我们正通过量子计算，选择其中一个成为现实。

量子计算

微软的量子计算路线，叫拓扑量子计算，简称“一步到位”路线。

要搞清楚拓扑量子计算，先要从搞清量子计算开始。

想象你正站在图书馆书架前，想要找到《哈姆雷特》里的一句话。经典计算机的解决方式，是同时雇佣100个管理员，每人拿着书目编码逐个书架搜索——这是串行计算。

量子计算，则是让每位管理员都有“分身术”和“透视眼”，就像超人，能同时搜索所有书架，还能透过封面直接看内容。

量子计算的承载体是量子比特，量子比特是基本运算单元。如果说经典比特是0或1的硬币，那么量子比特就是旋转的硬币——同时处于0和1之间的任何两个状态的叠加态中，只是概率大小不同而已。

量子超级计算机的应用/图源：微软

经典比特是确定态，量子比特是概率幅的叠加。30个量子比特可同时表示2^30（约10亿）种状态，而30个经典比特只能表示其中一种状态。

值得注意的是，量子比特必须进入并维持在量子态，才有可能进行高效计算操作。但量子控制的难度实在太大。1999年，超导量子计算机概念提出。科学家发现，在超导状态下量子比特更容易进入和维持量子态。

谷歌的路线就是“超导量子计算”，靠成熟的超导技术快速堆叠量子比特数量，用软件纠错来弥补硬件的缺陷。

而微软公司使用拓扑架构，能大幅度减少环境干扰（退相干），让量子比特长时间处于量子态，有利于进行计算。

首先，拓扑架构是很有必要的。拓扑的核心是，从绝对精确到模糊正确——允许局部误差存在，只要整体结构不变。如同人体细胞，每天死亡再生，但只要器官拓扑关系保持，生命机能就可以持续运转。

其次，在拓扑量子路线里，人们定义了一种特殊粒子——几个粒子在时间、空间上进行交换，它们的轨迹相当于在绳子上打了不同的结，代表着不同的信息。信息的存储只依赖于交换的顺序，不依赖于交换的具体路径，所以不用担心局部的微小扰动。

读取拓扑量子比特的状态/图源：微软

微软的量子芯片“马约拉纳1号”，靠的就是特殊粒子——名为马约拉纳费米子的亚原子粒子。

1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言了一种神秘粒子：它是自己的反粒子，如同现实世界中的镜像。这种性质能够保证量子化不受隧道耦合中无序、相互作用和变化的影响。

马约拉纳在现实世界中从来没被稳定捕获过，直到微软团队宣称在超导—半导体异质结构中、通过拓扑量子效应将其"冻结"在芯片表面。

总而言之，这些纳米级的量子比特，以拓扑结构“编织”成量子态网络，实现量子计算。

“冷战”到底？

微软的拓扑量子计算路线，与IBM、谷歌的超导量子计算形成鲜明对比。

这有点像晶体管与电子管的代际差异：超导量子比特需要接近绝对零度（零下273摄氏度）的极端环境，而拓扑量子比特在更高温度（零下196摄氏度）下就能维持量子态，其错误率比传统量子系统低三个数量级。

2024年12月，谷歌推出名为Willow的超导量子计算机，只用不到5分钟的时间即可完成一项数学运算，而世界上最强大的超级计算机得算10万亿年——宇宙的“年纪”不保守估计也才300亿年。

当然，这项计算是专门为测试量子计算进展准备的，不是什么在实际应用中派得上用场的计算。

谷歌推出了名为Willow的超导量子计算机/图源：谷歌

凭借Willow，谷歌声称拥有“量子霸权”，意味着它拥有一台谁也比不上的量子计算机，哪怕暂时没什么用。

专攻量子计算快20年的微软，当然慌了。不到3个月，“马约拉纳1号”问世，意在染指“量子霸权”。

拓扑量子计算和超导量子计算，两条路线的本质差异，一个以“守”为主，一个以“攻”为主。

微软路线类似“装甲车策略”。通过拓扑保护机制，减少对外部纠错的依赖，追求硬件层面的稳定性，适合需要长期稳定运行的复杂模拟任务。

谷歌路线类似“闪电战策略”。利用成熟超导技术快速堆叠量子比特数量，通过软件纠错弥补硬件缺陷，更适合需要快速迭代的算法验证。

二者的竞争焦点，一是错误率，谁的错误低谁胜出；一是“冷战”，如果微软能把运行温度提高到零下160摄氏度（干冰级），就可以彻底改变量子计算机的部署成本。

微软的量子材料实验室内/图源：微软

然而，“马约拉纳1号”匆忙上马，也不是没有疑点。

在工程化方面，纳米线制造工艺的良品率未知，复杂结构可能导致量产成本居高不下；拓扑保护的理论模型在更大规模系统中是否依然有效，仍需验证。

在学术方面，部分学者质疑实验中观测到的马约拉纳粒子信号是否确凿，认为可能存在其他量子现象干扰；微软未完全公开芯片的量子体积（Quantum Volume）等关键指标，性能评估缺乏第三方验证。

在生态方面，拓扑量子计算依赖专属算法和软件栈，与“传统”超导量子生态不兼容，也可能形成技术孤岛。

降维打击

遇事不决，量子力学，不只是一句玩笑。

量子力学实在很难理解，很多时候只能视其为“玄学”。如果说在牛顿世界里，宇宙是一台上好发条的精密钟表，那么在量子世界里，宇宙就是一个随机开盒、生成关卡的“肉鸽”（Roguelike）游戏。

物理学家理查德·费曼曾在加州理工学院的黑板上画下惊世预言："想要真正理解自然，我们必须用量子系统来模拟量子现象。" 这个看似循环的论断，揭开了量子计算的序幕。

数学家彼得·秀儿在贝尔实验室证明，量子计算可以轻松破解RSA加密体系。RSA是最有影响力的公钥加密算法，密级最高的RSA密码，当时最强大的计算机也得算几百万年，但使用1024量子比特的量子计算机，几天就能破解。

使用1024量子比特的量子计算机，几天就能破解密级最高的RSA密码。图为谷歌的“Willow”超导量子计算机相关/图源：视觉中国

爱因斯坦嘲讽量子纠缠是“鬼魂般的超距作用”时 ，当然没有料到这一特性成为量子计算的最大优势之一，也没有料到中国“墨子号”卫星演示了超过1200公里的量子纠缠现象。 

微观世界的规则总是在挑战宏观世界的常识。

对量子最大的误解，是人们常常把其视为某种“物质”、某种粒子。实际上，量子既非粒子也非能量，而是宇宙运行的基础规则。如同重力是物质间的相互作用法则，量子则是微观世界的“概率云法则”——就像肉鸽游戏的“系统设定”。

为什么量子计算能在特定领域实现“降维打击”，因为它们不是更“快”地解决问题，而是它们用概率云、纠缠态的方式呈现高维世界的解题“思路”。

这也许暗示，破解宇宙规律等终极命题，需要的不一定是更快、更大量的计算，而是完全不同的思维层次和思维维度。

当人们凝视量子芯片上闪烁的马约拉纳费米子的时候，也许正窥见宇宙这场精心设计的游戏的设定攻略。

文中配图部分来源于视觉中国，部分来源于网络，首图为微软的“马拉约纳1号”芯片

值班主编 | 吴擎

排版 | 菲菲

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