微软的 Majorana 1 芯片为量子计算开辟了新道路

这里有篇科普文章：https://www.ifanr.com/1615145

主要要点：

Majorana 1 芯片是微软开发的一种量子计算芯片，使用拓扑量子比特，基于 Majorana 粒子，旨在实现更稳定和可扩展的量子计算。

什么是 Majorana 1 芯片？

Majorana 1 芯片是微软推出的首款量子计算芯片，采用新的 Topological Core 架构。它使用一种叫作顶导体的材料（由铟砷化物和铝组成），可以控制 Majorana 粒子，这些粒子是特殊的亚原子粒子，有助于制造更可靠的量子比特（qubits）。

它的突破是什么？

突破在于开发了顶导体，这是一种新的物质状态，能观察和控制 Majorana 粒子。这使得量子比特更不容易出错，并且有可能在一个芯片上扩展到百万个量子比特，这在量子计算领域是一个巨大的进步。

它会带来什么实际价值？

这个芯片可以让量子计算机解决目前经典计算机无法处理的问题，比如药物发现、材料科学和优化问题。这些应用可能在医疗、工业等领域带来重大变革，特别是在需要处理复杂计算的任务上。

令人惊讶的细节

令人惊讶的是，这个芯片目前只有 8 个量子比特，但微软声称它有潜力扩展到百万个量子比特，这比目前大多数量子芯片的规模大得多。

以下是关于 Majorana 1 芯片的关键数据汇总，方便读者快速参考：

结论与展望

Majorana 1 芯片代表了量子计算领域的一次重要突破，其基于 Majorana 粒子的拓扑量子比特设计为构建大规模、容错的量子计算机铺平了道路。尽管当前芯片只有 8 个量子比特，但其扩展潜力（百万量子比特）令人振奋。未来几年，微软计划通过 DARPA 的 US2QC 计划，构建基于拓扑量子比特的容错原型（fault-tolerant prototype, FTP），预计将在几年内实现，而非数十年的时间框架。

这一进展可能改变量子计算的竞争格局，与 Google、IBM 等竞争对手形成对比。Google 声称商用量子计算应用在 5 年内可实现（Microsoft creates chip it says shows quantum computers are 'years, not decades' away），而 IBM 预测大型量子计算机将在 2033 年上线。微软的 Majorana 1 芯片可能加速这一进程，为量子计算的实际应用带来更近的希望。

关键引文

• Microsoft’s Majorana 1 chip carves new path for quantum computing
• Microsoft’s Majorana 1 Chip Carves New Path for Quantum Computing
• Microsoft creates chip it says shows quantum computers are 'years, not decades' away
• Microsoft deploys new state of matter in its first quantum computing chip
• Microsoft’s Big Bet on Majorana Pays Off with New Topological Quantum Chip
• Microsoft unveils Majorana 1, the world’s first quantum processor powered by topological qubits

微软今日发布了 Majorana 1，这是全球首个采用新型拓扑核心架构的量子芯片。该架构有望在数年内实现量子计算机，解决具有实际意义的、大规模工业问题，而非数十年后。

它采用全球首创的拓扑导体，这是一种突破性材料，能够观测和控制马约拉纳费米子，从而制造出更可靠、可扩展的量子比特——量子计算机的基本构建单元。

就像半导体发明推动了智能手机、计算机和电子产品的出现一样，拓扑导体及其所支持的新一代芯片为开发可扩展至百万量子比特的量子系统提供了可能，这些系统能够应对最复杂的工业和社会挑战，微软表示。

“我们退一步思考，提出‘好吧，让我们为量子时代设计晶体管。它需要具备哪些特性？’”微软技术专家切坦·纳亚克这样说道。“正是这种独特的材料组合、品质和关键细节，使得新型量子比特乃至整个架构得以实现。”

约翰·布雷切尔为微软拍摄的《马约拉纳 1》照片。

微软表示，这种用于开发 Majorana 1 处理器的全新架构，为在一枚手掌大小的芯片上集成一百万个量子比特提供了明确路径。这对于量子计算机实现具有变革性的实际应用至关重要——比如将微塑料分解成无害的副产物，或发明用于建筑、制造和医疗保健领域的自修复材料。即便将全世界现有的所有计算机联合起来，也无法与一百万量子比特的量子计算机相比。

“无论你在量子领域做什么，都必须有一条通往百万量子比特的路径。如果没有，你将在触及能够解决我们动机所在的重要问题的规模之前遇到障碍。”奈亚克说。“我们实际上已经找到了一条通往百万量子比特的路径。”

拓扑超导体，又称拓扑超导材料，是一种独特的材料，能够产生一种全新的物质状态——不是固体、液体或气体，而是拓扑状态。这种状态被利用来制造更稳定的量子比特，它运行速度快、体积小巧，且能够实现数字化控制，无需像现有替代品那样做出牺牲。最新发表在《自然》杂志上的论文详细介绍了微软研究人员如何成功实现拓扑量子比特的奇特量子特性，并对其进行了精确测量，这对于实际应用计算至关重要。

查特安·纳亚克，微软技术专家。照片由微软的约翰·布雷彻拍摄。

这项突破需要开发一种全新的由铟化砷和铝组成的材料堆栈，其中大部分由微软设计和制造，每个原子都经过精心构建。微软表示，他们的目标是诱导产生新的量子粒子——马约拉纳粒子，并利用其独特的特性，将量子计算推进到新的高度。

世界上首个为 Majorana 1 提供拓扑核心动力的系统，设计上确保可靠性，通过硬件层面的错误容忍性增强了稳定性。

商业重要应用在百万量子比特上也需要进行数万亿次的操作，这在使用依赖每个量子比特精细调谐的模拟控制的传统方法下是难以实现的。微软团队的新测量方法使得量子比特能够实现数字控制，从而重新定义并极大地简化了量子计算的工作原理。

这项进展证明了微软多年前选择追求拓扑量子比特设计的正确性——这是一个风险与回报并存的科学和工程挑战，如今终于开花结果。如今，公司已在一款可扩展至百万级量子比特的芯片上成功部署了八个拓扑量子比特。

瑞士洛桑联邦理工学院教授，微软技术研究员。约翰·布雷彻为微软拍摄的照片。

“从一开始，我们就致力于打造一款能够产生商业影响的量子计算机，而不仅仅是引领思想，”微软技术专家马蒂亚斯·特罗耶表示。“我们深知需要开发新的量子比特，并且必须实现规模化。”

该方法促使国防高级研究计划局（DARPA）——一个专注于投资对国家安全至关重要的突破性技术的联邦机构——将微软纳入一项严格的评估计划，旨在探讨创新量子计算技术是否能够比传统预期更快地开发出具有商业价值的量子系统。

微软成为两家被邀请进入 DARPA 未充分探索系统规模量子计算（US2QC）项目最终阶段的公司之一。该项目是 DARPA 更大规模的量子基准测试计划的一部分，目标是提供行业首个规模化的容错量子计算机，或者其计算价值超过其成本。以下是对该内容的更自然和易于理解的翻译。

它只告诉你答案

除了自主研发量子硬件外，微软还与 Quantinuum 和 Atom Computing 携手合作，旨在利用当前量子比特实现科学和工程领域的突破，去年更是宣布了业界首个可靠的量子计算机，这一成就备受瞩目。

这些机器类型为开发量子技能、构建混合应用和推动新发现提供了重要机遇，尤其是在人工智能与将由更多可靠量子比特驱动的全新量子系统相结合的背景下。如今，Azure Quantum 提供了一系列集成解决方案，让客户能够利用 Azure 中的先进人工智能、高性能计算和量子平台，进一步推动科学探索。

但要实现量子计算的新里程碑，需要一种能够支持百万级以上量子比特并实现万亿级快速可靠操作的量子架构。微软指出，今天的公告将这一目标从数十年缩短至数年之内。

因为量子力学能够以极高的精确度从化学反应到分子相互作用和酶能量等方面数学地描述自然界的运行规律，所以拥有百万量子比特的机器应该能够解决化学、材料科学等领域的问题，这些问题对于当今的经典计算机来说难以准确计算。这样的翻译更加自然、易懂。

• 例如，它们可以帮助解答材料为何会生锈或开裂的复杂化学问题。这或许能催生能够修复桥梁或飞机部件裂缝、破碎手机屏幕或划痕车门的自修复材料。

• 由于塑料种类繁多，目前还无法找到一种通用的催化剂来分解它们——这对于清理微塑料和应对碳污染尤为重要。量子计算能够计算出这类催化剂的性质，将污染物分解成有价值的副产品，或者从一开始就开发出无毒的替代品，使表达更加自然流畅。

• 酶是生物催化剂的一种，在医疗和农业领域具有巨大潜力。得益于量子计算提供的精准行为计算，我们可以更有效地利用酶。这有望带来重大突破，助力解决全球饥饿问题，如提升土壤肥力、增加作物产量，或促进在恶劣气候条件下的可持续食品生产。

最重要的，量子计算可能让工程师、科学家、公司以及其他人员第一次就能轻松设计出正确的产品——这对从医疗保健到产品开发等各个领域都将带来革命性的变化。结合量子计算的力量和 AI 工具，人们可以用通俗易懂的语言描述他们想要创造的新材料或分子，并立即获得一个可行的解决方案——无需猜测，也无需经过多年的试验和错误。

“任何制造产品的公司都能一开始就设计得完美无缺。它只会给出答案，”特罗耶说，“量子计算机教会 AI 自然的语言，这样 AI 就能直接告诉你你想要制作的配方。”

大规模量子计算的重新思考

量子世界遵循量子力学的规律，这些规律与支配我们看到的世界的物理规律不同。这些粒子被称为量子比特，或量子位，类似于现在计算机使用的 0 和 1。翻译更加自然，易于理解。

量子比特非常敏感，容易受到环境中的干扰和错误的影响，导致其分解和信息丢失。测量也会影响它们的量子态——这是一个问题，因为测量对于计算至关重要。一个根本的挑战是开发出既能进行测量又能进行控制的量子比特，同时还要具备抵御破坏其稳定性的噪声的能力。

量子比特可以以多种方式创建，每种方式都有其利弊。大约 20 年前，微软决定采取一条独特的道路：开发拓扑量子比特，它认为这将带来更稳定的量子比特，需要更少的纠错，从而在速度、尺寸和可控性方面带来优势。这条路需要克服巨大的学习曲线，需要科学和工程上的未知突破，但也是通往可扩展和可控量子比特、能够进行商业价值工作的最有前景的道路。

不足之处在于——或者说以前是这样的——微软一直试图使用的奇异粒子，即所谓的马约拉纳粒子，直到最近都未曾被观察到或制造出来。这种粒子在自然界中并不存在，只能通过磁场和超导体来诱导其产生。开发出能够制造这种奇异粒子及其相关拓扑物质状态的合适材料非常困难，这也是为什么大多数量子研究都转向了其他类型的量子比特。

《自然》杂志发表的文章确认，微软不仅成功制造出有助于保护量子信息免受随机干扰的 Majorana 费米子，而且还能通过微波技术对这些信息进行可靠测量。

马约拉纳费米子隐藏量子信息，使其更加稳定，但也更难以测量。微软团队研发的新测量技术极为精准，能够区分超导线中一亿与一亿零一电子的数量——这一信息能够告知计算机量子比特的具体状态，并为量子计算奠定基础。

通过电压脉冲开启和关闭测量，就像开关灯一样，无需为每个量子比特单独调节旋钮。这种更简单的测量方法，通过实现数字控制，不仅简化了量子计算过程，也降低了构建可扩展机器的物理要求，使操作更加直观。

微软的拓扑量子比特在尺寸上具有优势，甚至比其他量子比特更胜一筹。对于如此微小的物体来说，存在一个“恰到好处”的区域，太小的量子比特难以布线控制，而太大的量子比特则需要庞大的设备。特洛伊尔表示，为这些类型的量子比特添加个性化控制技术，将需要建造一个相当于飞机库或足球场大小的超大型计算机。

Majorana 1，这款微软的量子芯片集成了量子比特及其控制电子，小巧便携，可轻松握在手中，且能够无缝集成到 Azure 数据中心内的量子计算机中。

“发现一种新的物质状态是一回事，奈亚克说。利用这一发现来大规模地重新思考量子计算则是另一码事。”

原子级设计量子材料

微软的顶级拓扑量子比特架构通过将铝纳米线连接成 H 形。每个 H 形结构包含四个可控制的马约拉纳费米子，形成一个量子比特。这些 H 形结构还可以相互连接，并像瓷砖一样排列在芯片上，形成独特的布局。

“这很复杂，因为我们需要展示一种新的物质状态才能达到那里，但之后，事情就变得简单多了。它会像瓷砖一样铺展开来。你将拥有一个更简单的架构，这能让你更快地实现规模化，”微软技术专家 Krysta Svore 表示。

克里斯塔·斯沃雷，微软技术专家。照片由微软的约翰·布雷彻拍摄。

量子芯片并非独立运作。它置身于一个由控制逻辑、将量子比特冷却至远低于外太空温度的稀释制冷机，以及能够与人工智能和传统计算机集成的软件栈构成的生态系统中。她表示，所有这些部件均为公司自主设计或改进。

为了讲清楚，持续优化这些流程，并让所有元素以加速的规模协同运作，还需要更多年的工程努力。不过，许多科学和工程上的难题现在都已得到克服，微软表示。

获得合适的材料堆叠以实现拓扑态物质的生产是其中最具挑战性的环节之一，Svore 补充说。微软的拓扑导体并非采用硅材料，而是采用了铟化砷，这是一种目前广泛应用于红外探测器等领域，并具有独特性能的材料。借助极低温度下的超导性，这种半导体与超导性相结合，形成了一种混合结构。

“我们实际上是在逐个原子地喷涂。这些材料必须完美对齐，任何材料层中的缺陷过多都会破坏你的量子比特，”Svore 说。

“讽刺的是，正因如此，我们才需要量子计算机——因为理解这些材料实在太过困难。借助扩展后的量子计算机，我们将能够预测出性能更优的材料，用于构建超越当前规模的下一代量子计算机，”她表示。

相关链接：

了解更多：微软 Majorana 1 介绍

查看更多：微软发布全球首个由拓扑量子比特驱动的量子处理器 Majorana 1

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顶部图像：Majorana 1，首款采用微软研发的革命性新材料构建的拓扑核心驱动的量子芯片。图片由 John Brecher 拍摄，供微软使用。

• 人工智能
• 产品开发
• 科技

微软董事长兼首席执行官CEO Satya Nadella刚刚在 LinkedIn发出的:
【关于我们刚刚宣布的量子计算突破的几点思考...我们大多数人从小就知道物质主要有三种类型:固体、液体和气体。今天，情况发生了变化。
经过近 20年的追求，我们创造了一种全新的物质状态，由一种新型材料拓扑导体解锁，实现了计算的根本性飞跃。
它为 Majorana1提供动力，这是第一个基于拓扑核心构建的量子处理单元。
我们相信，这一突破将使我们能够在几年内，而不是像一些人预测的那样，在几十年内创造出一台真正有意义的量子计算机。
用拓扑导体创建的量子比特速度更快、更可靠、更小。
它们只有百分之一毫米，这意味着我们现在有一条通往百万量子特处理器的明确道路。想象一下，一个可以放在手掌中的芯片，却能够解决当今地球上所有计算机加起来都无法解决的问题!有时研究人员必须花几十年的时间研究某件事才能#得进展。
要对世界产生重大影响，需要耐心和毅力
我很高兴我们有机会在微软做到这一点。
这是我们的重点:当生产力提高时，经济增长更快。

微软发布全球首款拓扑量子芯片Majorana1，标志着量子计算迈向实用化的重要突破。以下为详细内容总结：

核心技术突破

1. 拓扑量子架构创新

   • 采用新型拓扑超导体材料，通过控制马约拉纳粒子（Majorana fermion）生成稳定量子比特。这种粒子具有天然抗干扰特性，使量子比特错误率降低，可靠性显著提升。
   • 芯片设计支持将百万量子比特集成至手掌大小，远超当前其他量子比特方案的可扩展性瓶颈。

2. 材料科学里程碑

   • 开发砷化铟-铝（InAs-Al）复合材料的原子级制造工艺，成功诱导出自然界不存在的马约拉纳粒子，并实现对其量子态的精确测量。
   • 相关成果已通过《自然》期刊同行评审，验证了拓扑量子比特的可行性。

3. 数字化控制革新

   • 首创微波脉冲数字化控制技术，通过电压开关（类似电灯开关）替代传统模拟调谐，简化操作流程，为大规模集成奠定基础。

性能与优势

• 抗噪能力：硬件层面集成纠错功能，量子信息通过马约拉纳粒子的拓扑态隐藏，抵御环境噪声干扰。
• 尺寸优化：量子比特体积平衡控制线与扩展需求，避免传统方案因尺寸问题导致的飞机库级设备臃肿。
• 速度与规模：目标实现每秒万亿次运算，可解决经典计算机无法处理的工业级复杂问题。

应用场景

1. 环境与材料科学

   • 设计分解微塑料的通用催化剂，将污染物转化为无害副产品。
   • 开发自修复材料，用于修复桥梁裂缝、飞机部件或手机屏幕。

2. 医疗与农业

   • 精确模拟酶行为，优化土壤肥力或恶劣气候下的作物生长，助力解决全球粮食危机。
   • 加速新药分子设计，缩短研发周期。

3. 人工智能协同

   • 结合AI实现自然语言驱动材料设计：用户描述需求，系统直接生成分子配方，无需试错。

战略布局

1. 产学研合作

   • 与Quantinuum、Atom Computing合作开发现阶段量子计算机，推动混合应用开发。
   • 通过Azure Quantum平台整合AI、高性能计算与量子资源，构建科研生态。

2. 政府合作

   • 入选美国DARPA“实用规模量子计算”（US2QC）计划终选，目标打造首台经济价值超越成本的容错量子计算机。

研发历程与挑战

• 高风险决策：微软20年前押注拓扑量子比特路线，需克服材料制造、粒子控制等未知科学难题。
• 当前进展：芯片已集成8个拓扑量子比特，验证可扩展架构；下一步聚焦工程优化以实现百万量子比特目标。

行业影响

• 时间线缩短：微软预估工业级量子计算机将在“几年而非几十年”内落地，远超行业预期。
• 范式转变：从实验室“思想领导”转向商业影响力，重新定义量子计算发展路径。

技术细节补充

• 芯片结构：量子比特以铝纳米线构成"H"形单元，四组马约拉纳粒子构成1个量子比特，通过平铺扩展。
• 配套生态：包含-273°C稀释制冷机、控制逻辑系统及专用软件栈，全链路自主设计。

此项突破不仅验证拓扑量子计算路线的正确性，更可能引发材料科学、化学等领域的连锁创新，加速量子计算从理论到产业应用的跨越。