当地时间2月19日，微软正式发布了旗下首款量子计算芯片“Majorana 1”，这也是全球首款拓扑量子比特驱动的量子处理器。“Majorana 1”采用了一种名为拓扑导体（topoconductor）的突破性材料制成，目前可在芯片上放置8个拓扑量子比特，标志着向实用量子计算迈出了变革性的飞跃。未来甚至可以在单个芯片上扩展到100万个量子比特。目前相关研究论文已经发表在了《自然》杂志上。
利用新型材料
据微软介绍，拓扑导体（topoconductor）是一种以前仅存在于理论中的新物质状态，这种革命性的材料的出现可以使我们能够创造拓扑超导性。这一进步源于微软在设计和制造栅极定义设备方面的创新，这些设备结合了砷化铟（一种半导体）和铝（一种超导体）。当冷却到接近绝对零度并用磁场调节时，这些设备会形成拓扑超导纳米线，导线末端具有马约拉纳零模式 (MZM)。近一个世纪以来，这些准粒子只存在于教科书中。现在，我们可以根据需要在拓扑导体中创建和控制们。MZM 是我们量子比特的构建块，通过“奇偶校验”存储量子信息——导线包含偶数还是奇数个电子。在传统超导体中，电子结合成库珀对并无阻力移动。任何未配对的电子都可以被检测到，因为它的存在需要额外的能量。我们的拓扑导体有所不同：在这里，一对 MZM 之间共享一个未配对的电子，使其对环境不可见。这种独特的属性保护了量子信息。
虽然这使得我们的拓扑导体成为量子比特的理想候选者，但它也带来了一个挑战：我们如何读取隐藏得如此好的量子信息？我们如何区分 1,000,000,000 个电子和 1,000,000,001 个电子？
微软对这一测量挑战的解决方案如下（另见图 1）：
微软使用数字开关将纳米线的两端耦合到量子点，量子点是一种可以存储电荷的微小半导体器件。
这种连接提高了点保持电荷的能力。至关重要的是，确切的增加取决于纳米线的奇偶校验。
△图 1：读取我们的拓扑量子比特的状态。
微软用微波测量这种变化。量子点保持电荷的能力决定了微波如何从量子点反射。因此，它们会带着纳米线量子态的印记返回。
微软设计的设备足以让这些变化大到足以在一次测量中可靠地进行测量。最初的测量误差概率为 1%，但现在已经确定了明显的途径来显著降低这一误差。
微软表示，该系统表现出了令人印象深刻的稳定性。外部能量（例如电磁辐射）可以破坏库珀对，产生不成对的电子，从而将量子比特的状态从偶数变为奇数。但是，最终结果表明这种情况很少见，平均每毫秒只发生一次。这表明包裹“Majorana 1”处理器的屏蔽层可以有效地阻挡此类辐射。微软正在探索进一步减少这种情况的方法。
量子计算需要我们设计一种专门用于实现量子计算的新物质状态，这也许并不奇怪。值得注意的是，微软的读出技术已经非常精确，这表明微软正在利用这种奇异的物质状态进行量子计算。
通过数字精度彻底改变量子控制
这种读出技术实现了从根本上不同的量子计算方法，其中使用测量来执行计算。
传统量子计算以精确的角度旋转量子态，需要为每个量子位定制复杂的模拟控制信号。这使量子纠错 (QEC) 变得复杂，因为量子纠错必须依靠这些同样敏感的操作来检测和纠正错误。
微软基于测量的方法大大简化了 QEC。我们完全通过由连接和断开量子点与纳米线的简单数字脉冲激活的测量来执行误差校正。这种数字控制使得管理实际应用所需的大量量子比特变得切实可行。
从物理学到工程学
随着核心构建模块的展示——在 MZM 中编码、受拓扑保护并通过测量处理的量子信息——微软已准备好从物理突破转向实际实施。
下一步是围绕单量子比特设备（称为 Tetron）构建可扩展架构（见图 2）。在 Station Q 会议上，微软分享了演示此量子比特基本操作的数据。一项基本操作（测量 Tetron 中拓扑纳米线之一的奇偶性）使用了微软在《自然》论文中描述的相同技术。
△图 2：使用四元组实现容错量子计算的路线图。第一幅图展示了一个单量子比特设备。四元组由两条平行拓扑线（蓝色）组成，两端各有一个 MZM（橙色点），由垂直平凡超导导线（浅蓝色）连接。第二幅图展示了一个支持基于测量的编织变换的双量子比特设备。第三幅图展示了一个 4×2 四元组阵列，支持在两个逻辑量子比特上进行量子误差检测演示。这些演示旨在实现量子误差校正，例如右侧面板中所示的设备（27×13 四元组阵列）。
另一个关键操作是将量子比特置于奇偶校验态的叠加中。这也是通过对量子点进行微波反射测量来实现的，但测量配置不同，微软将第一个量子点与纳米线分离，并将另一个点连接到设备一端的两条纳米线上。通过执行这两个正交的泡利测量Z和X，微软展示了基于测量的控制——这是开启其路线图下一步的关键里程碑。
微软的路线图现在系统地指向可扩展的 QEC。下一步将涉及 4×2 四量子阵列。微软将首先使用一个双量子比特子集来演示纠缠和基于测量的编织变换。然后，我们将使用整个八量子比特阵列在两个逻辑量子比特上实现量子误差检测。
拓扑量子比特的内置错误保护简化了 QEC。此外，与之前的先进方法相比，微软的自定义 QEC 代码将开销减少了大约十倍。这种大幅减少意味着其可扩展系统可以用更少的物理量子比特构建，并有可能以更快的时钟速度运行。
DARPA 的认可
美国国防高级研究计划局(DARPA) 已选定微软作为两家进入其严格基准测试计划最后阶段的公司之一，该计划名为实用级量子计算未开发系统 (US2QC)，是 DARPA 大型量子基准测试计划 (QBI) 的组成部分之一。微软认为这一认可是对其构建具有拓扑量子位容错量子计算机路线图的认可。
DARPA 的 US2QC 计划及其更广泛的量子基准测试计划代表了一种严格的方法来评估量子系统，这些系统可以解决超出传统计算机能力的问题。迄今为止，US2QC 计划汇集了来自 DARPA、空军研究实验室、约翰霍普金斯大学应用物理实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、橡树岭国家实验室和 NASA 艾姆斯研究中心的专家，以验证量子硬件、软件和应用程序。展望未来，规模更大的量子基准测试计划预计将与更多专家合作，对量子计算机进行测试和评估。
此前，DARPA 评估微软可以在合理的时间内构建出实用级量子计算机，因此选择了微软进行早期阶段的研究。随后，DARPA 评估了微软量子团队的容错量子计算机架构设计和工程计划。经过仔细分析，DARPA 和微软签署了一项协议，开始该项目的最后阶段。在此阶段，微软打算在数年内（而不是数十年内）构建基于拓扑量子位的容错原型，这是迈向实用级量子计算的关键加速步骤。
解锁量子的前景
微软表示：“十八个月前，我们制定了量子超级计算机的发展路线图。今天，我们实现了第二个里程碑，展示了世界上第一个拓扑量子比特。我们已经在一块设计为容纳100万个量子比特的芯片上放置了八个拓扑量子比特。”
百万量子比特的量子计算机不仅仅是一个里程碑，更是解决世界上一些最困难问题的途径。即使是当今最强大的超级计算机也无法准确预测决定我们未来必不可少的材料特性的量子过程。但这种规模的量子计算可以带来创新，例如修复桥梁裂缝的自修复材料、可持续农业和更安全的化学发现。今天需要耗费数十亿美元进行详尽的实验搜索和湿实验室实验的东西，可以通过量子计算机的计算找到。
“我们通往实用量子计算的道路很清晰。基础技术已经得到验证，我们相信我们的架构是可扩展的。我们与 DARPA 的新协议表明我们致力于不懈地朝着我们的目标前进：建造一台能够推动科学发现并解决重要问题的机器。”微软在其博客上写道。
编辑：芯智讯-浪客剑 来源：微软
