微軟發布新型量子計算芯片Majorana 1

隨著美國科技巨頭微軟公司周三發布新型量子計算芯片Majorana 1，全球投資者又到“上物理課”的時間了。

微軟表示，通過這個“全球首款拓撲架構量子芯片”，開發出能解決“有意義工業規模問題”的量子計算機，將是未來幾年就能實現的事情，而不是科學界此前預期的幾十年。

作為本文最容易理解的部分，微軟的最新公告帶動量子計算概念齊漲。截至發稿，Quantum Computing漲超6%、D-Wave Quantum漲近10%。

所以，這到底是什么東西？

作為這項技術突破的大背景，量子計算機的核心是量子比特（qubits），這是量子計算中的信息單位，類似于今天計算機使用的二進制。問題在于，量子比特相當脆弱，并且對環境噪聲非常敏感，可能導致計算錯誤或數據丟失——對于計算機來說是毀滅性的結果。這也是量子計算目前發展緩慢的核心矛盾。

對于正在開發量子計算機的微軟、谷歌、IBM來說，最終目標是實現在可控大小的芯片上容納100萬個量子比特——俗稱通用容錯量子計算機。

為了解決這個問題，微軟花了17年時間交出了目前的答卷：通過創造所謂的“世界首個拓撲體”，得以觀察和控制馬約拉納粒子，從而產生更可靠和可擴展的量子比特。

理論物理學家埃托雷·馬約拉納在1937年首次描述馬約拉納粒子，但它們在自然界中并不存在。直到幾年前，這種粒子從未被觀察到或制造出來。在《自然》雜志發表的論文中，微軟透露使用砷化銦（半導體）和鋁（超導體），通過逐個原子設計和構建拓撲導體線材——所謂“量子時代的晶體管”。

微軟研究員Krysta Svore介紹稱，正確選擇材料堆棧以產生拓撲物態是最困難的部分之一。Svore表示：“我們實際上是逐個原子進行噴涂的，這些材料必須完美對齊。如果材料堆中有太多缺陷，就會毀掉你的量子比特。”

微軟解釋稱，當拓撲導體線材被冷卻到接近絕對零度并通過磁場調諧時，會在兩端形成馬約拉納零能模（MZMs）。馬約拉納量子比特比其他替代品更穩定。它們快速、小巧且可以數字控制，并具有獨特的屬性，可以保護量子信息。

在Majorana 1芯片上，微軟將拓撲導體納米線連接在一起形成一個“H”， 每個單元有四個可控的馬約拉納粒子，構成一個量子比特。“H”單元可以連接，微軟已經成功將8個單元放置在一塊芯片中。通過這種方式，微軟使得量子比特能夠以數字方式進行控制，重新定義并大大簡化了量子計算的工作方式。

除了制造馬約拉納粒子外，微軟現在也具備從中測量信息的能力。微軟表示，新的測量方法可以精確到檢測超導線中十億個和十億零一個粒子之間的差異——這會告訴計算機量子比特處于什么狀態，并為量子計算奠定基礎。測量可以通過電壓脈沖開關來開啟和關閉，簡化了量子計算的過程和構建可擴展機器的物理要求。

當然，微軟最終的目標依然是在巴掌大的芯片上，放入100萬個量子比特。

對于人類而言，量子計算的實現也意味著現在許多“投入全地球算力仍需要幾千年才能解決的問題”，看到短期內解決的希望，特別是在材料學和醫學領域。

接下來進入“畫餅”時間。

微軟表示，通過量子計算的強大算力，可以幫助科學家解決“材料為什么會被腐蝕、斷裂”，從而開發出能自動修復橋梁、飛機部件裂紋、破碎手機屏幕的自愈材料。

量子計算也能全面釋放AI的潛能。科學家和開發者能夠用簡單的語言來描述他們想要創造的新材料或者分子，并能立即得到答案，無需猜測或多年的試錯。

這一領域中國亦有布局

對于微軟報告中提及的“拓撲量子”和“馬約拉納零能模”等領域，中國科學家近幾年來也有科研進展。

據央視2022年時報道，中國科學院院士、中國科學院物理研究所研究員高鴻鈞團隊對鐵基超導體LiFeAs進行了更加細致而深入的研究。他們在實驗上發現，應力可以誘導出的大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模格點陣列。這項研究為實現拓撲量子計算提供了重要的高質量研究平臺。

去年8月，上海交通大學物理與天文學院、李政道研究所李耀義副教授、賈金鋒院士與香港科技大學劉軍偉副教授組成聯合攻關團隊，在拓撲晶體絕緣體的超導磁通渦旋中發現多重馬約拉納零能模存在的關鍵證據。這項研究也以《單個磁通中多重馬約拉納零能模雜化的特征》為題在自然雜志上發表。