微軟發(fā)布新型量子計算芯片Majorana 1

隨著(zhù)美國科技巨頭微軟公司周三發(fā)布新型量子計算芯片Majorana 1，全球投資者又到“上物理課”的時(shí)間了。

微軟表示，通過(guò)這個(gè)“全球首款拓撲架構量子芯片”，開(kāi)發(fā)出能解決“有意義工業(yè)規模問(wèn)題”的量子計算機，將是未來(lái)幾年就能實(shí)現的事情，而不是科學(xué)界此前預期的幾十年。

作為本文最容易理解的部分，微軟的最新公告帶動(dòng)量子計算概念齊漲。截至發(fā)稿，Quantum Computing漲超6%、D-Wave Quantum漲近10%。

所以，這到底是什么東西？

作為這項技術(shù)突破的大背景，量子計算機的核心是量子比特（qubits），這是量子計算中的信息單位，類(lèi)似于今天計算機使用的二進(jìn)制。問(wèn)題在于，量子比特相當脆弱，并且對環(huán)境噪聲非常敏感，可能導致計算錯誤或數據丟失——對于計算機來(lái)說(shuō)是毀滅性的結果。這也是量子計算目前發(fā)展緩慢的核心矛盾。

對于正在開(kāi)發(fā)量子計算機的微軟、谷歌、IBM來(lái)說(shuō)，最終目標是實(shí)現在可控大小的芯片上容納100萬(wàn)個(gè)量子比特——俗稱(chēng)通用容錯量子計算機。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，微軟花了17年時(shí)間交出了目前的答卷：通過(guò)創(chuàng )造所謂的“世界首個(gè)拓撲體”，得以觀(guān)察和控制馬約拉納粒子，從而產(chǎn)生更可靠和可擴展的量子比特。

理論物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納在1937年首次描述馬約拉納粒子，但它們在自然界中并不存在。直到幾年前，這種粒子從未被觀(guān)察到或制造出來(lái)。在《自然》雜志發(fā)表的論文中，微軟透露使用砷化銦（半導體）和鋁（超導體），通過(guò)逐個(gè)原子設計和構建拓撲導體線(xiàn)材——所謂“量子時(shí)代的晶體管”。

微軟研究員Krysta Svore介紹稱(chēng)，正確選擇材料堆棧以產(chǎn)生拓撲物態(tài)是最困難的部分之一。Svore表示：“我們實(shí)際上是逐個(gè)原子進(jìn)行噴涂的，這些材料必須完美對齊。如果材料堆中有太多缺陷，就會(huì )毀掉你的量子比特?！?/p>

微軟解釋稱(chēng)，當拓撲導體線(xiàn)材被冷卻到接近絕對零度并通過(guò)磁場(chǎng)調諧時(shí)，會(huì )在兩端形成馬約拉納零能模（MZMs）。馬約拉納量子比特比其他替代品更穩定。它們快速、小巧且可以數字控制，并具有獨特的屬性，可以保護量子信息。

在Majorana 1芯片上，微軟將拓撲導體納米線(xiàn)連接在一起形成一個(gè)“H”， 每個(gè)單元有四個(gè)可控的馬約拉納粒子，構成一個(gè)量子比特?！癏”單元可以連接，微軟已經(jīng)成功將8個(gè)單元放置在一塊芯片中。通過(guò)這種方式，微軟使得量子比特能夠以數字方式進(jìn)行控制，重新定義并大大簡(jiǎn)化了量子計算的工作方式。

除了制造馬約拉納粒子外，微軟現在也具備從中測量信息的能力。微軟表示，新的測量方法可以精確到檢測超導線(xiàn)中十億個(gè)和十億零一個(gè)粒子之間的差異——這會(huì )告訴計算機量子比特處于什么狀態(tài)，并為量子計算奠定基礎。測量可以通過(guò)電壓脈沖開(kāi)關(guān)來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉，簡(jiǎn)化了量子計算的過(guò)程和構建可擴展機器的物理要求。

當然，微軟最終的目標依然是在巴掌大的芯片上，放入100萬(wàn)個(gè)量子比特。

對于人類(lèi)而言，量子計算的實(shí)現也意味著(zhù)現在許多“投入全地球算力仍需要幾千年才能解決的問(wèn)題”，看到短期內解決的希望，特別是在材料學(xué)和醫學(xué)領(lǐng)域。

接下來(lái)進(jìn)入“畫(huà)餅”時(shí)間。

微軟表示，通過(guò)量子計算的強大算力，可以幫助科學(xué)家解決“材料為什么會(huì )被腐蝕、斷裂”，從而開(kāi)發(fā)出能自動(dòng)修復橋梁、飛機部件裂紋、破碎手機屏幕的自愈材料。

量子計算也能全面釋放AI的潛能?？茖W(xué)家和開(kāi)發(fā)者能夠用簡(jiǎn)單的語(yǔ)言來(lái)描述他們想要創(chuàng )造的新材料或者分子，并能立即得到答案，無(wú)需猜測或多年的試錯。

這一領(lǐng)域中國亦有布局

對于微軟報告中提及的“拓撲量子”和“馬約拉納零能?！钡阮I(lǐng)域，中國科學(xué)家近幾年來(lái)也有科研進(jìn)展。

據央視2022年時(shí)報道，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院物理研究所研究員高鴻鈞團隊對鐵基超導體LiFeAs進(jìn)行了更加細致而深入的研究。他們在實(shí)驗上發(fā)現，應力可以誘導出的大面積、高度有序和可調控的馬約拉納零能模格點(diǎn)陣列。這項研究為實(shí)現拓撲量子計算提供了重要的高質(zhì)量研究平臺。

去年8月，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院、李政道研究所李耀義副教授、賈金鋒院士與香港科技大學(xué)劉軍偉副教授組成聯(lián)合攻關(guān)團隊，在拓撲晶體絕緣體的超導磁通渦旋中發(fā)現多重馬約拉納零能模存在的關(guān)鍵證據。這項研究也以《單個(gè)磁通中多重馬約拉納零能模雜化的特征》為題在自然雜志上發(fā)表。