微軟量子運算新突破：百萬量子位元指日可待

微軟近日發布了Majorana 1量子晶片，這款晶片採用了革命性的「拓撲核心」架構，能夠實現穩定且可擴充套件的量子位元（qubits）。透過利用「拓撲導體」技術，這項創新為未來百萬量子位元機器的誕生鋪平了道路，這些機器將能夠解決複雜的科學與工業難題。在美國國防高等研究計劃署（DARPA）的支援下，以及數位控制技術的進步，微軟正將量子運算從理論推向現實。

Majorana 1是全球首款採用拓撲核心架構的量子晶片，這項突破讓量子電腦距離解決大規模實際問題的時間從數十年縮短至數年。這項技術的核心是「拓撲導體」，這是一種新型材料，能夠觀察和控制馬約拉納粒子（Majorana particles），從而創造出更穩定且可擴充套件的量子位元，這是量子運算的基本構建單元。

微軟技術院士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？這就是我們走到今天的原因——我們的新材料堆疊的特定組合、品質和關鍵細節，讓我們創造出一種全新的量子位元，並最終實現了整個架構。」

這項新架構讓Majorana 1處理器能夠在一個手掌大小的晶片上容納百萬量子位元。這是量子電腦實現變革性應用的必要門檻，例如將微塑膠分解為無害副產品，或是開發出具有自癒功能的材料，應用於建築、製造或醫療領域。Nayak強調：「在量子領域，任何技術都必須具備通往百萬量子位元的途徑，否則在解決真正重要的問題之前就會遇到瓶頸。我們已經找到了一條通往百萬量子位元的道路。」

拓撲導體是一種特殊材料，能夠創造出一種全新的物質狀態——既不是固體、液體，也不是氣體，而是一種拓撲狀態。這種狀態被用來製造更穩定的量子位元，其速度快、體積小，並且能夠以數位方式控制，無需像現有技術那樣進行妥協。微軟研究人員在《自然》期刊上發表的最新論文，詳細闡述瞭如何創造並精確測量拓撲量子位元的奇特量子特性，這是實現實用量子運算的關鍵一步。

這項突破需要開發一種全新的材料堆疊，由砷化銦和鋁組成，其中許多部分是由微軟逐原子設計和製造的。微軟表示，目標是讓馬約拉納粒子這種新型量子粒子出現，並利用其獨特性質來實現量子運算的下一個里程碑。

Majorana 1的拓撲核心設計具備內建的錯誤抵抗能力，使其更加穩定。此外，微軟團隊的新測量方法讓量子位元能夠以數位方式控制，這重新定義並大幅簡化了量子運算的運作方式。這項進展驗證了微軟多年前選擇開發拓撲量子位元設計的決定——這是一項高風險、高回報的科學與工程挑戰，如今終於取得了成果。

微軟技術院士Matthias Troyer表示：「從一開始，我們就希望打造一臺具有商業影響力的量子電腦，而不僅僅是為了思想領導力。我們知道需要一種新的量子位元，也知道必須實現擴充套件。」這種方法讓微軟被納入DARPA的「未充分探索系統實用規模量子運算」（US2QC）計畫，該計畫旨在評估創新量子運算技術是否能夠比傳統方法更快地建立具有商業價值的量子系統。

微軟目前是兩家進入US2QC計畫最終階段的公司之一，該計畫是DARPA量子基準計畫的一部分，目標是打造業界首臺實用規模的容錯量子電腦。此外，微軟還與Quantinuum和Atom Computing合作，利用現有的量子位元實現科學與工程突破，包括去年發布的業界首臺可靠量子電腦。

這些機器為開發量子技能、構建混合應用程式和推動新發現提供了重要機會，特別是當人工智慧與由大量可靠量子位元驅動的新量子系統結合時。微軟的Azure Quantum平臺提供了一套整合解決方案，讓客戶能夠利用領先的AI、高效能運算和量子平臺來推動科學發現。

然而，要實現量子運算的下一個里程碑，需要一種能夠提供百萬量子位元或更多，並實現數兆次快速可靠運算的量子架構。微軟表示，今天的宣佈讓這一目標在數年內成為可能，而不是數十年。

量子電腦能夠利用量子力學精確地模擬自然行為，從化學反應到分子互動和酶能量，百萬量子位元的機器將能夠解決化學、材料科學等領域中現有傳統電腦無法精確計算的問題。最重要的是，量子運算將讓工程師、科學家和企業能夠一次就設計出完美的產品，這對醫療、產品開發等領域將帶來革命性的影響。

Troyer指出：「任何製造產品的公司都能夠一次就設計出完美的產品。量子電腦會直接給你答案。它教會AI自然的語言，讓AI能夠直接告訴你如何製造你想要的東西。」

量子世界遵循量子力學的規則，這些規則與我們所見世界的物理定律不同。量子位元是量子運算的基本單位，類似於現有電腦使用的位元（0和1）。然而，量子位元非常敏感，容易受到環境幹擾而產生錯誤，這導致它們崩潰並丟失資訊。開發一種能夠被測量和控制，同時又能抵抗環境噪音的量子位元，是量子運算的一大挑戰。

近20年前，微軟決定開發拓撲量子位元，這種量子位元被認為更穩定，需要更少的錯誤校正，從而解鎖速度、尺寸和可控性優勢。儘管這條路充滿挑戰，但它是創造可擴充套件且可控量子位元的最有希望的道路。

微軟在《自然》期刊上發表的論文，證明瞭其不僅能夠創造馬約拉納粒子，還能使用微波可靠地測量這些粒子的量子資訊。馬約拉納粒子隱藏量子資訊，使其更加穩健，但也更難測量。微軟團隊的新測量方法非常精確，能夠檢測超導線中十億分之一電子的差異，這告訴電腦量子位元的狀態，並形成量子運算的基礎。

微軟的拓撲量子位元還有一個優勢，那就是其尺寸。即使對於如此微小的東西，也存在一個「最佳區域」，太小的量子位元難以連線控制線路，而太大的量子位元則需要一臺巨大的機器。Troyer表示：「為這些量子位元新增個性化控制技術，將需要建造一臺不切實際的電腦，其大小可能像飛機庫或足球場。」

Majorana 1量子晶片包含量子位元及其周圍的控制電子元件，可以放在手掌中，並輕鬆部署在Azure資料中心內。微軟技術院士Krysta Svore表示：「發現一種新的物質狀態是一回事，利用它來重新思考大規模量子運算是另一回事。」

微軟的拓撲量子位元架構由鋁奈米線組成，這些奈米線連線成H形。每個H形結構有四個可控的馬約拉納粒子，形成一個量子位元。這些H形結構可以相互連線，並像瓷磚一樣鋪設在晶片上。Svore補充道：「雖然我們必須展示一種新的物質狀態才能實現這一點，但之後的架構相當簡單。它像瓷磚一樣鋪開，提供了一條更快的擴充套件路徑。」

量子晶片並非獨立運作，它存在於一個生態系統中，包括控制邏輯、稀釋冰箱（將量子位元保持在比外太空更冷的溫度）以及能夠與AI和傳統電腦整合的軟體堆疊。Svore表示：「所有這些部件都已存在，完全由我們內部建造或修改。」

微軟表示，儘管還需要多年的工程工作來精煉這些流程並加速所有元素的整合，但許多困難的科學與工程挑戰已經被克服。Svore總結道：「我們正在逐原子噴灑材料。這些材料必須完美排列，如果材料堆疊中有太多缺陷，就會毀掉量子位元。諷刺的是，這也是我們需要量子電腦的原因——因為理解這些材料非常困難。隨著量子電腦的擴充套件，我們將能夠預測具有更好特性的材料，用於建造下一代量子電腦。」