微软最近发布了 Majorana 1 芯片，这可是全球首款采用新型拓扑核心架构的量子芯片哦！他们觉得啊，有了这个，量子计算机解决实际工业难题的日子指日可待，不用像之前想的要等几十年那么久啦。
拓扑核心是个啥？
这个 Majorana 1 芯片厉害的地方在于它用了世界首个“拓扑超导体”。这种材料特别牛，能观察和控制“马约拉纳粒子”，从而制造出更可靠、可扩展的量子比特。量子比特就像传统计算机里的比特一样，是量子计算机的基本组成部分。
微软说，就像当年半导体的发明催生了智能手机、电脑一样，拓扑超导体和基于它的新型芯片，为开发百万量子比特级别的量子系统铺平了道路。这种量子系统，那可是能解决超级复杂的工业和社会问题哒！
微软技术专家 Chetan Nayak 说了：“我们退一步想，要为量子时代发明一种‘晶体管’，它需要什么特性呢？所以我们才有了这个成果——正是我们新材料的特殊组合、质量和重要细节，造就了一种新型量子比特，并最终实现了我们的整个架构。”
百万量子比特不是梦！
微软说，用这个新架构开发的 Majorana 1 处理器，未来有望把一百万个量子比特塞进一块能放在手掌上的芯片里！这可是量子计算机真正解决实际问题所必需的门槛。比如，把塑料微粒分解成无害的副产品，或者发明用于建筑、制造或医疗领域的自修复材料。现在世界上所有的计算机加起来，都没法做到一百万量子比特的量子计算机所能做到的事情。
Nayak 还说：“如果你在量子领域做的事情，没有通往百万量子比特的路径，那你迟早会撞墙，没法达到能解决真正重要问题的规模。我们已经规划出了一条通往百万量子比特的道路。”
神奇的拓扑超导体
拓扑超导体是一种特殊的材料，能创造出一种全新的物质状态——不是固态、液态或气态，而是拓扑态。利用这种状态，可以制造出更稳定、更快、更小、并且可以进行数字控制的量子比特，而且不需要像现有方案那样做出各种妥协。在《自然》杂志上发表的一篇新论文中，微软的研究人员阐述了他们如何创造拓扑量子比特的奇异量子特性，并准确地测量它们。这可是实际计算的关键步骤哦！
为了实现这个突破，他们开发了一种全新的材料堆叠，主要由砷化铟和铝制成，其中大部分是微软逐个原子设计和制造的。他们的目标是引诱一种叫做“马约拉纳费米子”的新型量子粒子出现，并利用它们的独特属性，达到量子计算的下一个高度。
稳定才是王道！
世界上首个采用拓扑核心的 Majorana 1 在设计上就考虑到了可靠性，在硬件层面就加入了抗错能力，使其更加稳定。
具有商业价值的应用，需要在一百万个量子比特上进行数万亿次操作。如果采用当前的方案，需要对每个量子比特进行精细的模拟控制，那成本就太高了。微软团队的新测量方法，可以让量子比特进行数字控制，从而重新定义并大大简化量子计算的工作方式。
押宝拓扑量子比特，值了！
这个进展证明了微软多年前选择拓扑量子比特设计的正确性。这是一个高风险、高回报的科学和工程挑战，现在终于开始有所回报啦。目前，微软已经在芯片上放置了八个拓扑量子比特，这个芯片的设计目标是扩展到一百万个量子比特。
微软技术专家 Matthias Troyer 说：“从一开始，我们就想制造一台具有商业影响力的量子计算机，而不仅仅是理论上的领先地位。我们知道我们需要一种新型量子比特，我们也知道我们需要扩展规模。”
美国国防高级研究计划局 (DARPA) 也意识到了这一点，所以他们把微软纳入了一个严格的项目，评估创新的量子计算技术是否能比传统方式更快地构建具有商业价值的量子系统。
微软现在是仅有的两家被邀请进入 DARPA 的“探索实用规模量子计算的未开发系统 (US2QC)”项目最后阶段的公司之一。该项目旨在交付业界首个实用规模的容错量子计算机，或者说计算价值超过其成本的量子计算机。
“它会直接给你答案”
除了制造自己的量子硬件之外，微软还与 Quantinuum 和 Atom Computing 合作，利用现有的量子比特，在科学和工程上取得突破，包括去年宣布的业界首个可靠的量子计算机。
这些机器为开发量子技能、构建混合应用和推动新发现提供了重要机会，尤其是在人工智能与由更多数量的可靠量子比特驱动的新量子系统结合使用的情况下。目前，Azure Quantum 提供了一套集成解决方案，让客户能够利用 Azure 中领先的人工智能、高性能计算和量子平台，来推进科学发现。
但是，要达到量子计算的下一个高度，需要一种能够提供一百万个或更多量子比特，并实现数万亿次快速可靠操作的量子架构。微软表示，今天的发布让这个目标在几年内，而不是几十年内就能实现。
由于量子计算机可以使用量子力学，以惊人的精度对自然的运行方式进行数学建模（从化学反应到分子相互作用和酶能量），因此百万量子比特的机器应该能够解决某些类型的化学、材料科学和其他行业的问题，而这些问题是当今的经典计算机无法准确计算的。
例如，它们可以帮助解决材料为何会发生腐蚀或开裂等困难的化学问题。这可能会带来自我修复材料，用于修复桥梁或飞机部件上的裂缝、破碎的手机屏幕或刮花的汽车门。
由于塑料种类繁多，目前不可能找到一种通用的催化剂来分解它们——这对于清理塑料微粒或解决碳污染尤其重要。量子计算可以计算出此类催化剂的特性，从而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。
酶是一种生物催化剂，由于只有量子计算才能提供关于其行为的准确计算，因此可以在医疗保健和农业中更有效地利用它们。这可能会带来帮助消除全球饥饿的突破：提高土壤肥力以增加产量，或促进在恶劣气候下可持续地种植粮食。
最重要的是，量子计算可以让工程师、科学家、公司和其他人从一开始就正确地设计东西——这将对从医疗保健到产品开发的所有领域产生变革性的影响。量子计算的力量与人工智能工具相结合，将使人们能够用简单的语言描述他们想要创造的新材料或分子类型，并直接得到有效的答案——无需猜测或多年的反复试验。
Troyer 说：“任何制造产品的公司都可以从一开始就完美地设计它。它会直接给你答案。量子计算机教会人工智能自然的语言，因此人工智能可以直接告诉你制造你想要的东西的秘诀。”
重新思考大规模量子计算
量子世界根据量子力学定律运行，这些定律与我们所看到的世界所遵循的物理定律不同。这些粒子被称为量子比特，或量子位，类似于计算机现在使用的比特，或 1 和 0。
量子比特很娇气，很容易受到来自环境的扰动和错误的干扰，这会导致它们崩溃并丢失信息。它们的状体也可能受到测量的影响——这是一个问题，因为测量对于计算至关重要。一个固有的挑战是开发一种可以测量和控制，同时又可以提供保护以防范破坏它们的周围环境噪音的量子比特。
可以用不同的方式创建量子比特，每种方式都有优点和缺点。大约 20 年前，微软决定采用一种独特的方法：开发拓扑量子比特，他们认为这种量子比特将提供更稳定的量子比特，并且需要更少的纠错，从而释放速度、大小和可控性优势。这种方法提出了陡峭的学习曲线，需要未知的科学和工程突破，但也是创造能够胜任具有商业价值的工作的可扩展且可控的量子比特的最有希望的途径。
不利之处是——或者说曾经是——直到最近，微软试图使用的奇异粒子（称为马约拉纳费米子）从未被看到或制造出来。它们不存在于自然界中，只能在磁场和超导体的作用下诱导产生。开发合适的材料来创造奇异粒子及其相关的拓扑物质状态的难度，是大多数量子工作都集中于其他类型的量子比特的原因。
这篇《自然》论文标志着同行评审证实，微软不仅能够创造出马约拉纳费米子（有助于保护量子信息免受随机扰动），而且还可以使用微波可靠地测量它们中的信息。
马约拉纳费米子隐藏了量子信息，使其更强大，但也更难测量。微软团队的新测量方法非常精确，它可以检测超导线中 10 亿个电子与 10 亿零 1 个电子之间的差异——这告诉计算机量子比特处于什么状态，并构成了量子计算的基础。
这些测量可以使用电压脉冲打开和关闭，就像拨动灯开关一样，而不是为每个量子比特微调刻度盘。这种更简单的测量方法可以实现数字控制，从而简化了量子计算过程和构建可扩展机器的物理要求。
微软的拓扑量子比特也比其他量子比特具有尺寸优势。即使对于很小的东西，也存在一个“金发姑娘”区域，其中太小的量子比特很难运行控制线，而太大的量子比特则需要一台巨大的机器，Troyer 说。为这些类型的量子比特添加个性化控制技术将需要构建一台不切实际的计算机，其大小相当于飞机库或足球场。
Majorana 1 是微软的量子芯片，它既包含量子比特，又包含周围的控制电子设备，可以握在手掌中，并且可以整齐地放入量子计算机中，从而可以轻松地部署在 Azure 数据中心内。
Nayak 说：“发现一种新的物质状态是一回事，利用它来重新思考大规模量子计算是另一回事。”
逐个原子地设计量子材料
微软的拓扑量子比特架构具有连接在一起形成 H 形的铝纳米线。每个 H 有四个可控的马约拉纳费米子，并构成一个量子比特。这些 H 也可以连接起来，并像许多瓷砖一样铺设在芯片上。
微软技术专家 Krysta Svore 说：“复杂之处在于，我们必须展示一种新的物质状态才能达到目标，但此后，它就相当简单了。它像瓷砖一样铺设出来。您将拥有这种简单得多的架构，有望实现更快地扩展。”
量子芯片并非独立工作。它存在于一个生态系统中，该生态系统具有控制逻辑、一个将量子比特保持在比外太空低得多的温度下的稀释制冷机，以及一个可以与人工智能和经典计算机集成的软件堆栈。她说，所有这些部件都存在，完全在内部构建或修改。
需要明确的是，继续改进这些流程并使所有元素以加速规模协同工作，将需要更多的工程工作。但是，微软表示，许多困难的科学和工程挑战现在已经得到满足。
Svore 补充说，使材料堆叠正确以产生拓扑物质状态是最困难的部分之一。微软的拓扑导体不是硅，而是由砷化铟制成，砷化铟是一种目前用于红外探测器等应用的材料，并且具有特殊的性能。由于极低的温度，半导体与超导性相结合，形成一种混合材料。
Svore 说：“我们实际上是逐个原子地喷涂。这些材料必须完美地排列。如果材料堆叠中存在过多的缺陷，那就会杀死你的量子比特。”
“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。借助可扩展的量子计算机，我们将能够预测具有更好性能的材料，用于构建超越规模的下一代量子计算机，”她说。