今天凌晨，微軟發布了全球首個基于拓撲架構的量子芯片Majorana 1，這是一種超越固態、液態和氣態的全新物質，徹底改變量子計算半導體產業。

Majorana 1與其他量子計算相比，具有更高的潛在容錯能力和抗環境噪聲干擾的特性，只有巴掌大小卻有望集成一百萬個量子比特，為開發超大規模量子計算機鋪平了道路，同時為商業化應用提供了清晰路徑。

值得一提的是，微軟在大約20年前就做出了開發拓撲量子比特的決定，經過漫長的研究和等待，今天終于實現了。

Majorana 1介紹

微軟CEO Satya Nadella還特意發布長文解讀了這款重大技術突破的量子芯片，以下是他發布的原文：

我們大多數人在成長過程中所學的是，物質主要分為三種重要形態：固態、液態和氣態。如今，這一認知被改變了。

經過近 20 年的不懈探索，我們創造出了一種全新的物質形態，它由一類新型材料——拓撲超導體解鎖，實現了計算領域的根本性飛躍。

這種全新物質形態為Majorana 1提供動力，它是首款基于拓撲核心構建的量子處理單元。

我們相信，這一突破將使我們能夠在幾年內就打造出一臺真正意義非凡的量子計算機，而不是像有些人預測的那樣需要幾十年。

利用拓撲超導體制造的量子比特速度更快、更可靠，且尺寸更小。它們只有 0.01 毫米，這意味著我們如今有了一條清晰的道路，有望制造出擁有一百萬個量子比特的處理器。

想象一下，一塊能放在掌心的芯片，卻能解決即使當今地球上所有計算機加起來都無法解決的問題！

有時，研究人員必須花費數十年時間鉆研，才有可能取得進展。要在世界上產生重大影響，需要耐心與堅持。我很高興在微軟我們有機會做到這一點。

這就是我們的關注點：當生產力提高，經濟增長會加快，全球各個行業、各個角落都將從中受益。這無關炒作技術，而是關乎打造真正服務于世界的技術。

Majorana 1簡單介紹

Majorana 1的核心是微軟開發的拓撲超導體，這是一種能夠實現拓撲超導性的全新材料。這種材料通過結合銦砷化物（半導體）和鋁（超導體），在接近絕對零度的低溫下，通過磁場調節，形成具有Majorana MZMs的拓撲超導納米線。

這些準粒子曾僅存在于理論中，現在，微軟能夠在拓撲超導體中按需創建和控制它們。

拓撲量子比特利用MZMs存儲量子信息，通過“奇偶性”（納米線中電子數量的奇偶性）來編碼信息。

與傳統超導體不同，拓撲超導體中的未配對電子被一對MZMs共享，使其對外界環境“隱形”，從而保護量子信息免受干擾。這種獨特的保護機制使得拓撲量子比特在穩定性上具有顯著優勢。

盡管拓撲量子比特的量子信息得到了很好的保護，但也帶來了測量的挑戰。微軟通過一種創新的測量技術解決了這一問題，利用數字開關將納米線兩端連接到一個量子點，一種能夠存儲電荷的微小半導體裝置，通過微波反射測量量子點的電荷變化，從而讀取納米線的量子態。

這種測量方法不僅能夠可靠地讀取量子信息，而且誤差概率極低，初始測量誤差概率僅為1%，并且有明確的路徑進一步降低誤差。

此外，傳統的量子計算依賴于復雜的模擬控制信號來旋轉量子態，這使得量子糾錯變得極為復雜。

微軟的測量技術則采用了一種全新的方法，通過簡單的數字脈沖激活量子點與納米線之間的連接，從而實現量子計算。這種數字化控制方式極大地簡化了量子糾錯過程，使得大規模量子比特的管理變得更加可行，為量子計算的大規模應用鋪平了道路。

微軟計劃將這些基礎技術整合到一個可擴展的架構中，并設計了一種名為“tetron”的單量子比特設備，作為構建量子計算機的基本單元。微軟已經在實驗中展示了四子設備的基本操作，包括測量納米線的奇偶性以及將量子比特置于奇偶性疊加態。這些操作的成功驗證了測量基礎控制技術，為后續的量子糾錯和大規模擴展奠定了基礎。

微軟的路線圖清晰地規劃了從單量子比特設備到支持量子糾錯的多量子比特陣列的逐步發展。

計劃首先通過4×2的四子陣列展示量子糾纏和測量基礎編織變換，然后利用整個八量子比特陣列實現兩個邏輯量子比特的量子錯誤檢測。最終目標是構建一個27×13的四子陣列，實現完整的量子糾錯功能。

Majorana 1如何改變世界

除了開發自己的量子硬件外，微軟還與Quantinuum和Atom Computing合作，利用現有的量子比特實現科學和工程突破，包括去年宣布的行業首個可靠的量子計算機。

這些機器為開發量子技能、構建混合應用和推動新發現提供了重要機會，尤其是當人工智能與由更多可靠量子比特驅動的新型量子系統結合時。

現在，Azure Quantum提供了一系列集成解決方案，允許客戶利用Azure中的領先人工智能、高性能計算和量子平臺來推動科學發現。

要實現量子計算的下一階段突破，需要一種能夠提供百萬量子比特或更多，并實現萬億次快速可靠操作的量子架構。而微軟的Majorana 1加速了這一進程，可以在幾年內而非幾十年實現。

由于能夠利用量子力學以極高的精度數學映射自然行為，從化學反應到分子相互作用和酶能量，百萬量子比特的機器能夠解決一些特定類型的難題，而這些是傳統計算機無法做到的。

例如，量子計算機可以幫助解決材料腐蝕或開裂的難題，從而開發出能夠修復橋梁或飛機部件裂縫、破碎手機屏幕或劃痕汽車門的自愈材料。

由于塑料種類繁多，目前無法找到一種通用的催化劑來分解它們，尤其是對于清理微塑料或解決碳污染至關重要。量子計算可以計算這種催化劑的特性，將污染物分解為有價值的產品，或從一開始就開發出無毒的替代品。

專家解讀Majorana 1

此外，量子計算還可以更有效地利用生物催化劑（酶），在醫療保健和農業領域實現突破，例如提高土壤肥力以增加產量，或在惡劣氣候下促進食品的可持續生長。

最重要的是，量子計算將允許工程師、科學家、公司等在第一次設計時就完美地設計出產品，這將對從醫療保健到產品開發的各個領域產生變革性影響。量子計算機與人工智能工具的結合將允許人們用普通語言描述他們想要創造的新材料或分子，并直接獲得可行的答案，無需猜測或多年的試錯。

Chetan Nayak

微軟技術研究員Chetan Nayak表示，微軟在設計Majorana 1時，相當于為量子時代發明了“晶體管”，并確定了其所需的關鍵特性。這種新型材料堆疊的組合、質量和細節使得新型量子比特和整個架構成為可能。Majorana 1的架構為在單芯片上集成百萬量子比特提供了清晰的路徑，這種芯片可以輕松放在掌心。

目前，微軟的Majorana 1已經獲得美國國防高級研究計劃局的認可并達成協議，成為探索大規模量子計算計劃的最終階段參與者之一。并計劃在未來幾年內構建一個基于拓撲量子比特的容錯量子計算機原型，這將是邁向實用、商業化量子計算的關鍵一步。