重大突破！本周四，微軟宣布造出了一款前所未有的量子計算芯片 Majorana 1，并稱可以在單塊芯片上讓數百萬量子比特協同工作，解決之前無法的解決的問題，從新藥物研發到創造革命性的新材料。

微軟 CEO 薩提亞?納德拉為此專門撰寫了一條長推文，短時間內就已經收獲了上千萬閱讀量，其中提到 Majorana 1 是首款建立在拓撲核心（topological core）上的量子處理單元，而這一成就的基礎是他們創造的「一種全新的物質狀態」，而這又解鎖了一類新材料。他們稱之為 topoconductor，這里譯為「拓撲導體」。

納德拉表示，使用拓撲導體可以制造出更快、更小、更可靠的量子比特。其尺寸可小至百分之一毫米，這意味著我們可以在較小的體積內集成大量量子比特。

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納德拉寫到：「我們相信，這一突破將使我們能在幾年內（而非像一些人預測的幾十年）創造出一臺真正有意義的量子計算機。」

基于新材料和新架構，微軟已經構建了世界上首個基于拓撲量子比特的容錯原型（FTP）。

以下為微軟發布的宣傳視頻：

這一消息可說是讓整個互聯網都沸騰了，正如去年底谷歌宣布了量子芯片 Willow 時一樣 —— 谷歌稱 Willow 能在 5 分鐘內完成超級計算機 102? 年才能完成的計算。

Majorana 1 是微軟歷時 17 年，通過持續研究量子計算新材料和架構獲得的成果。微軟認為，該芯片讓量子計算機大規模應用成為了可能。

量子計算機的核心是量子比特，它是量子計算中的信息單位，就像當今計算機使用的二極管一樣。多年來，IBM、微軟、谷歌等公司一直試圖讓量子比特像二進制比特一樣可靠，但因為量子比特更加脆弱，對噪音更敏感，容易產生誤差或導致數據丟失。

基于全新的理念，Majorana 1 處理器有望將 100 萬個量子比特集成到一個芯片上，該芯片與臺式電腦和服務器中的 CPU 差不多大。微軟沒有在新芯片中使用電子進行計算，而是使用了理論物理學家埃托雷?馬約拉納（Ettore Majorana）在 1937 年提出的馬約拉納粒子。微軟通過創造所謂的「世界上第一個拓撲導體」達到了這一里程碑。

拓撲導體是一種新型材料，不僅可以觀察，還可以控制馬約拉納粒子，以創造更可靠的量子比特。

微軟 Majorana 1 處理器非常小。

微軟的工作登上了最新一期的《自然》雜志，其中概述了研究成果。微軟幫助創造了一種由砷化銦和鋁制成的新材料，并將八個拓撲量子比特放在單塊芯片上，目標是最終能擴展到 100 萬個。

• 論文標題：Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices
• 論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2

不僅如此，微軟還發布了一份實現「可靠量子計算」的路線圖，稱這是他們實現「從單量子比特設備到能夠進行量子糾錯的陣列的路徑。」

• 路線圖地址：https://arxiv.org/pdf/2502.12252

一個擁有 100 萬個量子比特的芯片可以執行更精確的模擬，幫助提高人類對自然世界的理解，并在醫學和材料科學領域取得突破。多年來，這一直是我們對于量子計算的愿景，而微軟相信其拓撲導體或拓撲超導體是下一個重大突破。

微軟量子公司副總裁 Zulfi Alam 表示：「我們在過去 17 年里一直在研究這個項目。這是公司里運行時間最長的研究項目。17 年后，我們展示的成果不僅令人難以置信，而且真實存在。它們將從根本上重新定義量子計算下一階段的發展方式。」

一種全新的材料

微軟表示，這一切突破的基礎都可以歸因于一種新材料：拓撲導體（topoconductor）。基于這種革命性的新材料，微軟打造出了拓撲超導體（topological superconductivity）—— 這種物質狀態之前只存在于理論之中。

微軟博客寫到：「這一進步源于微軟在設計和制造柵極定義設備（gate-defined device）方面的創新，這些設備結合了砷化銦（一種半導體）和鋁（一種超導體）。當冷卻到接近絕對零度并用磁場調節時，這些設備會形成拓撲超導納米線，導線末端具有馬約拉納零模式（MZM）。」

過去近百年的時間里，MZM 這些準粒子只存在于教科書中。現在，微軟可以根據需要在拓撲導體中創建和控制它們。MZM 是微軟量子比特的基本模塊，其能通過「奇偶校驗」存儲量子信息 —— 看這些線包含偶數還是奇數個電子。

在傳統超導體中，電子結合成庫珀對并會無阻力地移動。任何未配對的電子都可以被檢測到，因為它的存在需要額外的能量。微軟的拓撲導體則不同：在這里，一對 MZM 之間共享一個未配對的電子，使其對環境不可見。這種獨特的特性可以保護量子信息。

讀取拓撲量子比特的狀態。

上圖展示了微軟應對這種測量難題的方法：

• 使用數字開關將納米線的兩端耦合到量子點，量子點是一種可以存儲電荷的微型半導體器件。
• 這種連接增加了點保持電荷的能力。至關重要的是，確切的增加量取決于納米線的奇偶性。
• 使用微波測量這種變化。這些點保持電荷的能力決定了微波從量子點反射的方式。因此，它們會帶著納米線量子態的印記返回。

通過設計，微軟讓這些變化變得足夠大，從而一次測量就能得到可靠的結果。微軟表示，目前初始的測量錯誤概率為 1%，但他們已經確定了可以大幅降低錯誤概率的路徑。

這種讀出技術使量子計算的方法從根本上發生了變化，即可使用測量值進行計算。

傳統量子計算是以精確的角度旋轉量子態，需要為每個量子比特定制復雜的模擬控制信號。這會使量子誤差校正 （QEC）變得復雜，因為量子誤差校正必須依靠這些相同的敏感操作來檢測和糾正錯誤。

微軟新提出的基于測量的方法可以極大地簡化 QEC—— 可完全通過由連接和斷開量子點與納米線的簡單數字脈沖激活的測量來執行誤差校正。這種數字控制可實現對大量量子比特的管理，從而為實際應用奠定基礎。

從物理學到工程開發

接下來看看微軟是怎么將上面介紹的物理可能性變成工程實踐的。

前面已經提到，微軟量子計算的核心構建模塊是 MZM 編碼、拓撲保護、通過測量進行處理的量子信息。

接下來，就需要基于單量子比特設備（稱為 tetron）制造一個可擴展的架構，如下圖所示。這個量子比特的一個基本操作是測量 tetron 中的一個拓撲納米線的奇偶性。

使用 tetron 實現容錯量子計算的路線圖。第一幅圖展示了一個單量子比特設備。tetron 由兩條平行的拓撲線（藍色）組成，兩端各有一個 MZM（橙色點），由垂直的普通超導線（淺藍色）連接。下一幅圖展示了一個支持基于測量的 braiding 變換的雙量子比特設備。第三幅圖展示了一個 4×2 tetron 陣列，支持在兩個邏輯量子比特上進行量子誤差檢測演示。這些演示預示著向量子誤差校正方向的進展是可行，例如右圖所示的設備（27×13 tetron 陣列）。

另一項關鍵操作是將量子比特置于奇偶性疊加態中。這也是通過對量子點進行微波反射測量來執行的，但測量配置不同：將第一個量子點與納米線分離，并將另一個點連接到設備一端的兩條納米線上。通過執行這兩個正交的泡利測量 Z 和 X，這里演示了基于測量的控制。微軟表示這是開啟其路線圖下一步的關鍵里程碑。

微軟表示：「我們的路線圖正系統地朝著可擴展 QEC 邁進。下一步將使用 4×2 四元組陣列。我們將首先使用兩個量子比特子集來演示糾纏和基于測量的 braiding 變換。然后，我們將使用整個八量子比特陣列在兩個邏輯量子比特上實現量子錯誤檢測。」

拓撲量子比特的內置錯誤保護簡化了 QEC。此外，與之前最先進的方法相比，微軟的自定義 QEC 代碼可將開銷減少大約十倍。這種大幅減少意味著其可擴展系統可以用更少的物理量子比特進行構建，并有可能以更快的時鐘速度運行。

微軟表示，在很多科研領域上，當今最強大的超級計算機也無法完成的任務可以被百萬量子比特規模上的量子計算解決，比如能修復橋梁裂縫的自愈材料、可持續農業以及更安全的化學材料探索。如今需要花費數十億美元進行詳盡的實驗搜索和實驗室實驗的內容，未來可能通過量子計算機的計算和模擬來快速找到。

值得一提的是，美國國防高級研究計劃局（DARPA）現已選擇微軟作為兩家公司之一，進入其「實用規模量子計算的未探索系統（US2QC）」項目的最后階段。微軟現在將「在幾年內」建造一臺基于拓撲量子比特的容錯原型量子計算機。

百萬量子比特的量子計算機不僅僅會是一個里程碑，也將成為解決人類前沿研究最困難問題的門戶。微軟認為，在基礎技術得到驗證后，通往實用量子計算的道路已經變得清晰。