Microsoft 科学家创造了一种量子处理器，该处理器利用了 1930 年代首次理论化的一种罕见物质状态，为在几年内拥有一百万个量子比特的处理器铺平了道路。
新的 Majorana 1 量子计算芯片配备了 8 个拓扑量子比特，这些量子比特利用新的物质状态来执行计算。 （图片来源：John Brecher for Microsoft）
Microsoft 的科学家们使用一种特殊类别的材料制造了一种新的量子计算芯片，该芯片能够利用新的物质状态。这一突破可能使研究人员能够比专家预测的要快得多地构建具有数百万个可靠量子比特的单个芯片——可能在短短几年而不是几十年内。
新的量子处理单元 （QPU） 称为“马约拉纳 1 号”，是一种八量子比特原型芯片，由世界上第一种同类材料——拓扑导体或拓扑导体——构建而成。这可以达到物质的“拓扑”状态，并在适当的条件下利用量子力学定律，以便在量子计算机中处理计算数据的 1 和 0。
这种新型量子比特称为“拓扑量子比特”，与由超导金属制成的量子比特相比，它更稳定、体积更小、功耗更低且更具可扩展性，而超导金属是 Google、IBM 和 Microsoft 等公司制造的量子计算机中最常用的量子比特类型。
“我们退后一步说，'好吧，让我们为量子时代发明晶体管。它需要具备哪些属性？'“Microsoft 技术研究员兼加州大学圣巴巴拉分校物理学教授 Chetan Nayak 在一份声明中说。“这就是我们真正走到这一步的原因 — 正是我们新材料堆栈中的特定组合、质量和重要细节促成了新型量子比特，并最终促成了我们的整个架构。”
只有在研究人员首次使用这种架构明确观察和控制一种具有特殊性质的神秘亚原子粒子后，才有可能制造这种 QPU，该粒子由数学家 Ettore Majorana 于 1937 年提出理论，称为“马约拉纳费米子”或“马约拉纳零模式”（MZM）。
马约拉纳的理论提出，一个粒子可以是它自己的反粒子，并且实际上可以共存，而不仅仅是相互湮灭。（图片来源：Getty Images/Mondadori Portfolio/Contributor）
科学家们以前曾试图创造马约拉纳费米子以用于一种新型量子计算。对马约拉纳费米子及其在量子计算机中的拟议用途的探索跨越了多年，包括据报道在 2012 年和 2024 年 4 月发现了该粒子。科学家们还在 2023 年 6 月发表了一项研究，报告了物质拓扑状态的发现。
马约拉纳的理论提出，一个粒子可以是它自己的反粒子。这意味着理论上可以将其中两个粒子聚集在一起，它们要么在大量能量释放中相互湮灭（这是正常的），要么在配对时可以稳定共存——为它们存储量子信息做好准备。
这些亚原子粒子在自然界中不存在，因此为了推动它们成为现实，Microsoft 科学家必须在材料科学、制造方法和测量技术方面取得一系列突破。他们在 2 月 19 日发表在《自然》杂志上的一项新研究中概述了这些发现——这是一个长达 17 年项目的高潮。
这是“量子时代的晶体管”这些发现中的主要发现是创造了这种特定的拓扑导体，它被用作量子比特的基础。科学家们用一种材料堆栈构建了他们的拓扑导体，该材料堆栈将砷化铟制成的半导体（通常用于夜视镜等设备）与铝超导体相结合。
研究人员需要这些成分的正确组合，以触发向新的物质拓扑结构的所需转变。他们还需要创造非常具体的条件来实现这一目标——即接近绝对零度的温度和暴露在磁场中。只有这样，他们才能迎来 MZM 的存在。
新的 Majorana 1 Quantum 处理器具有 8 个拓扑量子比特，每个量子比特由超导和拓扑导线组成，以及 MZM 和一个半导体量子点。（图片来源：John Brecher for Microsoft）
为了构建一个尺寸小于 10 微米的量子比特——比超导量子比特小得多——科学家们将一组纳米线排列成 H 形，两条较长的拓扑导线通过一根超导线在中心连接。接下来，他们通过冷却结构并用磁场调整它，诱导 4 个 MZM 存在于 H 的所有四个点上。最后，为了测量设备运行时的信号，他们将 H 与半导体量子点连接起来——相当于一个带电的小电容器。
拓扑导体与超导体的不同之处在于它们在承受不成对电子负载时的行为方式。在超导体中，电子通常与奇数个电子（任何不成对的电子）配对（称为库珀对），这些电子需要大量能量来容纳或进入激发态。基态和激发态之间的能量差是超导量子比特中数据 1 和 0 的基础。
与超导体一样，拓扑导体使用不成对电子的存在或不存在作为计算数据的 1 和 0，但该材料可以通过在成对电子之间共享不成对电子的存在来“隐藏”不成对电子。这意味着当未成对的电子添加到系统中时，没有可测量的能量差异，从而使量子比特在硬件级别更加稳定并保护量子信息。但是，这也意味着更难测量量子比特的量子状态。
这就是量子点的用武之地。科学家们通过 MZM 将单个电子从量子点发射到导线的一端，然后它通过另一个 MZM 从另一端出现。发生这种情况时，通过用微波爆破量子点，返回的反射会带有纳米线量子态的印记。
科学家们在研究中表示，这种测量的准确性约为 99%，并指出电磁辐射是平均每毫秒触发一次误差的外部因素的一个例子。科学家们表示，这种情况很少见，表明新型处理器的固有屏蔽层可以有效地将辐射拒之门外。
通往 100 万个量子比特的道路“这很复杂，因为我们必须展示一种新的物质状态才能到达那里，但在那之后，它就相当简单了。它平铺了。你拥有这种更简单的架构，有望提供更快的扩展路径，“Microsoft 首席研究经理 Krysta Svore 在声明中说。
Svore 补充说，这种称为“拓扑核心”的新量子比特架构代表了创建可用的 100 万量子比特量子计算机的道路上的第一步——将其创建比作 20 世纪从使用真空管构建计算机到晶体管的转变。
科学家们在研究中表示，这要归功于量子比特更小的尺寸和更高的质量，以及由于量子比特像图块一样组合在一起的方式，它们很容易扩展。
在未来几年内，科学家们计划构建一个具有 100 万个物理量子比特的单个芯片，这反过来又会在医学、材料科学和我们对自然的理解等领域带来有用的科学突破，而这些突破是使用最快的超级计算机无法实现的。
科学家们计划在未来几年改进这项技术，以达到 100 万个物理量子比特的量子芯片的程度。（图片来源：John Brecher for Microsoft）
然而，量子芯片并不是孤立地工作。相反，它与稀释冰箱一起存在于生态系统中，以实现极冷的温度、管理控制逻辑的系统以及可以与经典计算机和人工智能 （AI） 集成的软件。科学家们表示，优化这些系统以使其能够在更大的范围内工作需要多年的进一步研究。但随着进一步的突破，这一时间表可能会加快。
“这些材料必须完美排列。如果材料堆栈中有太多缺陷，它只会杀死你的量子比特，“Svore 在声明中说。“具有讽刺意味的是，这也是我们需要量子计算机的原因——因为理解这些材料非常困难。借助缩放的量子计算机，我们将能够预测具有更好性能的材料，从而构建超越规模的下一代量子计算机。
