又到学习物理的时候了 微软发布新型量子计算芯片Majorana1

哎呀，听说微软公司出了个新型量子计算芯片Majorana 1，全球投资者又要开始学物理啦！

微软表示，通过这个“全球首款拓扑架构量子芯片”，开发出能解决“有意义工业规模问题”的量子计算机，将是未来几年就能实现的事情，而不是科学界此前预期的几十年。

作为本文最容易理解的部分，微软的最新公告带动量子计算概念齐涨。截至发稿，Quantum Computing涨超6%、D-Wave Quantum涨近10%。

所以，这到底是什么东西？

作为这项技术突破的大背景，量子计算机的核心是量子比特（qubits），这是量子计算中的信息单位，类似于今天计算机使用的二进制。问题在于，量子比特相当脆弱，并且对环境噪声非常敏感，可能导致计算错误或数据丢失——对于计算机来说是毁灭性的结果。这也是量子计算目前发展缓慢的核心矛盾。

对于正在开发量子计算机的微软、谷歌、IBM来说，最终目标是实现在可控大小的芯片上容纳100万个量子比特——俗称通用容错量子计算机。

为了解决这个问题，微软花了17年时间交出了目前的答卷：通过创造所谓的“世界首个拓扑体”，得以观察和控制马约拉纳粒子，从而产生更可靠和可扩展的量子比特。

理论物理学家埃托雷·马约拉纳在1937年首次描述马约拉纳粒子，但它们在自然界中并不存在。直到几年前，这种粒子从未被观察到或制造出来。在《自然》杂志发表的论文中，微软透露使用砷化铟（半导体）和铝（超导体），通过逐个原子设计和构建拓扑导体线材——所谓“量子时代的晶体管”。

微软研究员Krysta Svore介绍称，正确选择材料堆栈以产生拓扑物态是最困难的部分之一。Svore表示：“我们实际上是逐个原子进行喷涂的，这些材料必须完美对齐。如果材料堆中有太多缺陷，就会毁掉你的量子比特。”

微软解释称，当拓扑导体线材被冷却到接近绝对零度并通过磁场调谐时，会在两端形成马约拉纳零能模（MZMs）。马约拉纳量子比特比其他替代品更稳定。它们快速、小巧且可以数字控制，并具有独特的属性，可以保护量子信息。

在Majorana 1芯片上，微软将拓扑导体纳米线连接在一起形成一个“H”， 每个单元有四个可控的马约拉纳粒子，构成一个量子比特。“H”单元可以连接，微软已经成功将8个单元放置在一块芯片中。通过这种方式，微软使得量子比特能够以数字方式进行控制，重新定义并大大简化了量子计算的工作方式。

除了制造马约拉纳粒子外，微软现在也具备从中测量信息的能力。微软表示，新的测量方法可以精确到检测超导线中十亿个和十亿零一个粒子之间的差异——这会告诉计算机量子比特处于什么状态，并为量子计算奠定基础。测量可以通过电压脉冲开关来开启和关闭，简化了量子计算的过程和构建可扩展机器的物理要求。

当然，微软最终的目标依然是在巴掌大的芯片上，放入100万个量子比特。

对于人类而言，量子计算的实现也意味着现在许多“投入全地球算力仍需要几千年才能解决的问题”，看到短期内解决的希望，特别是在材料学和医学领域。

接下来进入“画饼”时间。

微软表示，通过量子计算的强大算力，可以帮助科学家解决“材料为什么会被腐蚀、断裂”，从而开发出能自动修复桥梁、飞机部件裂纹、破碎手机屏幕的自愈材料。

量子计算也能全面释放AI的潜能。科学家和开发者能够用简单的语言来描述他们想要创造的新材料或者分子，并能立即得到答案，无需猜测或多年的试错。

这一领域中国亦有布局

对于微软报告中提及的“拓扑量子”和“马约拉纳零能模”等领域，中国科学家近几年来也有科研进展。

据央视2022年时报道，中国科学院院士、中国科学院物理研究所研究员高鸿钧团队对铁基超导体LiFeAs进行了更加细致而深入的研究。他们在实验上发现，应力可以诱导出的大面积、高度有序和可调控的马约拉纳零能模格点阵列。这项研究为实现拓扑量子计算提供了重要的高质量研究平台。

去年8月，上海交通大学物理与天文学院、李政道研究所李耀义副教授、贾金锋院士与香港科技大学刘军伟副教授组成联合攻关团队，在拓扑晶体绝缘体的超导磁通涡旋中发现多重马约拉纳零能模存在的关键证据。这项研究也以《单个磁通中多重马约拉纳零能模杂化的特征》为题在自然杂志上发表。