微軟突破量子計算瓶頸：全新物質狀態打造革命性晶片

量子計算，如同核融合發電，一直被認為是「再等幾十年」就能實現的科技。然而，量子電腦若要真正發揮效用，必須克服許多挑戰，其中一個關鍵問題就是「錯誤率」。由於量子位元（qubits）對環境幹擾極為敏感，例如材料缺陷或溫度稍微高於接近絕對零度，都會導致計算錯誤。在量子層面上，事情變得相當複雜。

微軟希望透過創造「拓撲量子位元」來解決這些問題，並操控一種全新的物質狀態。微軟技術院士Krysta Svore在相關影片中表示：「我們的團隊成功觀測並控制了一種過去僅存在於理論中的次原子粒子。」你可能熟悉物質的三種常見狀態：固體、液體和氣體，它們的特性由其組成原子的行為定義。然而，物質還有其他狀態。

Svore進一步解釋：「一百年前，數學家預測了一種新的物質狀態：拓撲態。從那時起，研究人員一直在尋找其中一種非常特殊且有用的準粒子——馬約拉納粒子。去年，我們首次觀測到它；今年，我們更進一步控制它，並利用其獨特性質打造出一種新型半導體——拓撲導體，它同時具備超導體的功能。」

馬約拉納準粒子的一個重要特性是，它是自身的反粒子。微軟技術院士Matthias Troyer補充道：「馬約拉納的理論顯示，數學上存在一種粒子可以是自身的反粒子。這意味著，當你將兩個這樣的粒子結合時，它們可能會相互湮滅，什麼都不剩；或者，它們可能只是保持原狀。有時是零狀態，有時則是電子狀態。」

微軟的裝置使用由砷化銦製成的超導奈米線，將兩條拓撲導線連線成H形，並利用磁場和超導體在H形的末端操控馬約拉納準粒子的生成。在極低溫下表現出超導特性的材料中，兩個電子會結合成庫柏對。任何未配對的電子進入系統時，都會處於激發狀態，而這兩種狀態之間的能量差可用於計算中的「1」和「0」。

在馬約拉納1號晶片中，微軟表示電子在兩個馬約拉納準粒子之間以非局域化狀態共享。透過精密的微波測量，他們能夠辨別超導線中10億個電子與10億零1個電子的差異，從而告訴電腦量子位元的狀態。微軟解釋，這種方法比其他量子電腦更能抵抗錯誤。

微軟技術院士Chetan Nayak在一份宣告中表示：「我們退一步思考：『好吧，讓我們為量子時代發明電晶體。它需要具備哪些特性？』這正是我們走到這一步的原因——我們的新材料堆疊中的特定組合、品質和關鍵細節，促成了一種新型量子位元，最終構建了我們的整個架構。」

儘管這項突破令人振奮，但仍有部分人士持懷疑態度。雖然微軟已發表了中間結果，但在論文中他們也承認，這些結果「本身並不能確定干涉儀檢測到的低能態是否為拓撲態」。新聞稿中提到的進一步測試顯示出更高的信心，但這些結果尚未發表。儘管微軟對其成果充滿信心，但過去聲稱發現馬約拉納態的研究也曾被撤回。

Nayak向《自然》雜誌表示：「隨著我們進行更多型別的測量，非拓撲模型將越來越難以解釋我們的結果。可能不會有一個所有人都信服的時刻，但非拓撲解釋將需要越來越多的微調。」一旦確認他們的發現確實成立，下一個挑戰就是擴大規模。目前，他們已製造出擁有8個拓撲量子位元的晶片，目標是達到100萬個。儘管如此，他們表示，有了這些晶片，下一代量子電腦可能在幾年內就能進行有用且可靠的工作，而不是幾十年後。

這篇論文已發表在《自然》期刊上。