微軟量子處理器突破：邁向百萬量子位元晶片

微軟的科學家們近日成功研發出一款量子處理器，這項技術利用了1930年代首次被理論化的特殊物質狀態，為未來幾年內實現百萬量子位元（qubit）的處理器鋪平了道路。這項突破性的進展，讓研究人員有機會在短短幾年內，而非數十年，打造出擁有數百萬可靠量子位元的單一晶片。

這款名為「Majorana 1」的量子處理單元（QPU），是全球首款採用「拓撲導體」（topoconductor）材料製成的八量子位元原型晶片。在特定條件下，這種材料能夠進入「拓撲」物質狀態，並利用量子力學的定律來處理量子電腦中的1和0資料。與目前由Google、IBM等公司使用的超導金屬量子位元相比，這種新型的「拓撲量子位元」更穩定、體積更小、耗能更低，且更具擴充套件性。

微軟技術院士兼加州大學聖塔芭芭拉分校物理學教授Chetan Nayak表示：「我們退一步思考，決定為量子時代發明一種新的『電晶體』。它需要具備哪些特性？正是這種思考方式，讓我們找到了這種新型量子位元，並最終打造出全新的架構。」

這款QPU的誕生，得益於研究人員首次成功觀察並控制了一種名為「馬約拉納費米子」（Majorana fermion）的神秘次原子粒子。這種粒子由數學家Ettore Majorana於1937年提出理論，其特性使其能夠成為量子資訊的理想載體。微軟的科學家們在材料科學、製造技術和測量方法上取得了一系列突破，才得以將這種粒子應用於量子計算中。

這項研究的核心在於一種特殊的拓撲導體材料，它由砷化銦半導體和鋁超導體組合而成。研究人員需要精確控制這些材料的組合，並在接近絕對零度的溫度和磁場的條件下，才能讓馬約拉納零模式（MZM）粒子現身。這些粒子在自然界中並不存在，因此科學家們必須透過複雜的實驗手段來「創造」它們。

與傳統的超導量子位元不同，拓撲導體能夠「隱藏」未配對的電子，這使得量子位元在硬體層面上更加穩定，並能更好地保護量子資訊。然而，這也使得測量量子位元的狀態變得更加困難。為瞭解決這個問題，研究人員使用了一種稱為「量子點」的裝置，透過微波訊號來測量量子位元的狀態，其準確率達到99%。

微軟首席研究經理Krysta Svore表示：「這項技術的複雜性在於我們需要展示一種新的物質狀態，但在此之後，它的架構變得相當簡單。這種新的量子位元架構，稱為『拓撲核心』，是邁向百萬量子位元量子電腦的第一步。」她將這項技術的突破比作20世紀從真空管到電晶體的轉變。

科學家們計劃在未來幾年內打造出擁有百萬物理量子位元的單一晶片，這將在醫學、材料科學以及對自然界的理解等領域帶來革命性的科學突破。這些突破是現有超級電腦無法實現的。然而，量子晶片並非獨立運作，它需要與稀釋冷凍機、控制邏輯系統以及能夠與傳統電腦和人工智慧（AI）整合的軟體共同運作。最佳化這些系統以實現更大規模的應用，將需要多年的進一步研究。

Svore補充道：「這些材料必須完美排列。如果材料堆疊中存在太多缺陷，量子位元就會失效。諷刺的是，這也正是我們需要量子電腦的原因——因為理解這些材料的特性極其困難。隨著量子電腦的規模化，我們將能夠預測出更適合建造下一代量子電腦的材料。」