微軟：全球首個拓樸量子晶片出爐！巴掌大小碾壓全球超算

微軟周三 (19 日) 宣布推出 Majorana 1，這是一款全球首款量子晶片，採用了全新的拓撲核心架構。微軟預期這款晶片將能在數年內 (而非數十年) 實現量子電腦，並解決有意義的產業規模問題。

Majorana 1 晶片採用了全球首款拓撲超導體，這是一種突破性的材料，能夠觀察和控制馬約拉納粒子，進而產生更可靠、可擴展的量子位元，而量子位元是量子電腦的基礎。

微軟表示，正如半導體的發明促成了今日的智慧型手機、電腦和電子產品，拓撲超導體及其所支援的新型晶片，為開發能夠擴展到一百萬個量子位元的量子系統開闢了道路，從而能夠解決最複雜的產業和社會問題。目前全球所有電腦加起來的運算能力，也無法與擁有一百萬個量子位元的量子電腦相提並論。

微軟技術院士 Chetan Nayak 表示：「我們退後一步，捫心自問：『好，讓我們為量子時代發明電晶體。它需要具備哪些特性？』」。「這確實是我們走到今天的原因——我們新型材料堆疊中的特定組合、品質和重要細節，促成了一種新型量子位元，並最終促成了我們的整個架構。」

主要突破

• 可擴展性：Majorana 1 處理器的架構提供了一條清晰的路徑，將一百萬個量子位元整合到單一晶片上，而該晶片可以放在手掌中。
• 拓撲超導體：拓撲超導體是一種特殊的材料，可以創造一種全新的物質狀態——不是固體、液體或氣體，而是拓撲狀態。這種狀態被用於產生更穩定的量子位元，它快速、小巧且可進行數位控制，無需像目前的替代方案那樣做出權衡。
• 數位控制：微軟團隊的新測量方法使量子位元能夠以數位方式進行控制，重新定義並大大簡化了量子運算的工作方式。
• 錯誤抵抗：Majorana 1 的拓撲核心在設計上就具備可靠性，在硬體層面整合了錯誤抵抗能力，使其更加穩定。

大約 20 年前，微軟決定採用一種獨特的方法：開發拓撲量子位元。微軟認為，這種量子位元將提供更穩定的量子位元，減少所需的錯誤校正，從而釋放速度、大小和可控性的優勢。

微軟所尋求使用的奇異粒子被稱為馬約拉納粒子，它們並不天然存在，只能透過磁場和超導體誘導產生。開發合適的材料來創造奇異粒子及其相關的拓撲物質狀態非常困難，這也是大多數量子研究都集中在其他種類的量子位元上的原因。

《自然》雜誌上發表的一篇論文證實，微軟不僅能夠創造馬約拉納粒子（有助於保護量子資訊免受隨機干擾），而且還可以使用微波可靠地測量來自這些粒子的資訊。

馬約拉納粒子可以隱藏量子資訊，使其更強大，但也更難以測量。微軟團隊的新測量方法非常精確，可以檢測出超導線中十億個和十億零一個電子之間的差異——這告訴電腦量子位元處於什麼狀態，並構成量子運算的基礎。

測量可以透過電壓脈衝來開啟和關閉，就像撥動電燈開關一樣，而不是為每個量子位元微調刻度盤。這種更簡單的測量方法能夠實現數位控制，簡化了量子運算過程和構建可擴展機器的物理要求。

微軟的拓撲量子位元也比其他量子位元具有優勢，因為它的尺寸適中。即使對於非常小的東西來說，也存在一個「金髮姑娘」區域，太小的量子位元很難連接控制線，而太大的量子位元則需要巨大的機器。為這些類型的量子位元添加個人化的控制技術，將需要建造一台不切實際的電腦，其大小堪比飛機庫或足球場。

微軟的拓撲量子位元架構具有連接在一起形成 H 形的鋁奈米線。每個 H 形結構都有四個可控的馬約拉納粒子，並構成一個量子位元。這些 H 形結構也可以連接起來，並像瓷磚一樣鋪設在晶片上。

為了生產拓撲物質狀態，獲得正確的材料堆疊是最困難的部分之一。微軟的拓撲超導體並非由矽製成，而是由砷化銦製成，砷化銦是一種目前用於紅外線探測器等應用中的材料，具有特殊的性能。由於極低的溫度，半導體與超導性結合在一起，形成混合體。

量子運算的應用

由於量子電腦可以使用量子力學，以驚人的精確度在數學上繪製出自然的行為方式（從化學反應到分子相互作用和酶能量），因此一百萬量子位元的機器應該能夠解決某些化學、材料科學和其他產業中的問題，而這些問題是今天的傳統電腦無法準確計算的。

• 例如，它們可以幫助解決材料為何會遭受腐蝕或破裂的困難化學問題。這可能會產生自我修復材料，用於修復橋樑或飛機零件、破碎的手機螢幕或刮傷的汽車車門。
• 由於塑膠的種類繁多，因此目前無法找到一種可以分解它們的通用催化劑——這對於清理微塑膠或解決碳污染尤其重要。量子運算可以計算出此類催化劑的特性，將污染物分解成有價值的副產品，或首先開發無毒的替代品。
• 由於只有量子運算才能提供關於酶行為的準確計算，因此可以更有效地在醫療保健和農業中利用酶（一種生物催化劑）。這可能會帶來有助於消除全球飢餓的突破：提高土壤肥力以增加產量，或促進在惡劣氣候下糧食的可持續生長。

最重要的是，量子運算可以讓工程師、科學家、公司和其他人在第一時間就正確地設計東西——這將對從醫療保健到產品開發的一切都產生變革性的影響。量子運算與人工智慧工具相結合的力量，將使人們能夠用簡單的語言描述他們想要創造的新材料或分子種類，並立即獲得有效的答案——無需猜測或多年的試驗和錯誤。

Matthias Troyer 說：「任何製造產品的公司都可以在第一時間就完美地設計出來。它會直接給你答案。」「量子電腦教會人工智慧自然的語言，因此人工智慧可以直接告訴你想要製造的東西的配方。」

(資料來源：https://news.microsoft.com/source/features/ai/microsofts-majorana-1-chip-carves-new-path-for-quantum-computing/?ocid=FY25_soc_omc_br_x_QuantumMajorana)