當地時間2月19日，微軟正式發布了旗下首款量子計算芯片“Majorana 1”，這也是全球首款拓撲量子比特驅動的量子處理器。“Majorana 1”采用了一種名為拓撲導體（topoconductor）的突破性材料制成，目前可在芯片上放置8個拓撲量子比特，標志著向實用量子計算邁出了變革性的飛躍。未來甚至可以在單個芯片上擴展到100萬個量子比特。目前相關研究論文已經發表在了《自然》雜志上。
利用新型材料
據微軟介紹，拓撲導體（topoconductor）是一種以前僅存在于理論中的新物質狀態，這種革命性的材料的出現可以使我們能夠創造拓撲超導性。這一進步源于微軟在設計和制造柵極定義設備方面的創新，這些設備結合了砷化銦（一種半導體）和鋁（一種超導體）。當冷卻到接近絕對零度并用磁場調節時，這些設備會形成拓撲超導納米線，導線末端具有馬約拉納零模式 (MZM)。
近一個世紀以來，這些準粒子只存在于教科書中。現在，我們可以根據需要在拓撲導體中創建和控制它們。MZM 是我們量子比特的構建塊，通過“奇偶校驗”存儲量子信息——導線包含偶數還是奇數個電子。在傳統超導體中，電子結合成庫珀對并無阻力移動。任何未配對的電子都可以被檢測到，因為它的存在需要額外的能量。我們的拓撲導體有所不同：在這里，一對 MZM 之間共享一個未配對的電子，使其對環境不可見。這種獨特的屬性保護了量子信息。
雖然這使得我們的拓撲導體成為量子比特的理想候選者，但它也帶來了一個挑戰：我們如何讀取隱藏得如此好的量子信息？我們如何區分 1,000,000,000 個電子和 1,000,000,001 個電子？
微軟對這一測量挑戰的解決方案如下（另見圖 1）：
微軟使用數字開關將納米線的兩端耦合到量子點，量子點是一種可以存儲電荷的微小半導體器件。
這種連接提高了點保持電荷的能力。至關重要的是，確切的增加取決于納米線的奇偶校驗。
△圖 1：讀取我們的拓撲量子比特的狀態。
微軟用微波測量這種變化。量子點保持電荷的能力決定了微波如何從量子點反射。因此，它們會帶著納米線量子態的印記返回。
微軟設計的設備足以讓這些變化大到足以在一次測量中可靠地進行測量。最初的測量誤差概率為 1%，但現在已經確定了明顯的途徑來顯著降低這一誤差。
微軟表示，該系統表現出了令人印象深刻的穩定性。外部能量（例如電磁輻射）可以破壞庫珀對，產生不成對的電子，從而將量子比特的狀態從偶數變為奇數。但是，最終結果表明這種情況很少見，平均每毫秒只發生一次。這表明包裹“Majorana 1”處理器的屏蔽層可以有效地阻擋此類輻射。微軟正在探索進一步減少這種情況的方法。
量子計算需要我們設計一種專門用于實現量子計算的新物質狀態，這也許并不奇怪。值得注意的是，微軟的讀出技術已經非常精確，這表明微軟正在利用這種奇異的物質狀態進行量子計算。
通過數字精度徹底改變量子控制
這種讀出技術實現了從根本上不同的量子計算方法，其中使用測量來執行計算。
傳統量子計算以精確的角度旋轉量子態，需要為每個量子位定制復雜的模擬控制信號。這使量子糾錯 (QEC) 變得復雜，因為量子糾錯必須依靠這些同樣敏感的操作來檢測和糾正錯誤。
微軟基于測量的方法大大簡化了 QEC。我們完全通過由連接和斷開量子點與納米線的簡單數字脈沖激活的測量來執行誤差校正。這種數字控制使得管理實際應用所需的大量量子比特變得切實可行。
從物理學到工程學
隨著核心構建模塊的展示——在 MZM 中編碼、受拓撲保護并通過測量處理的量子信息——微軟已準備好從物理突破轉向實際實施。
下一步是圍繞單量子比特設備（稱為 Tetron）構建可擴展架構（見圖 2）。在 Station Q 會議上，微軟分享了演示此量子比特基本操作的數據。一項基本操作（測量 Tetron 中拓撲納米線之一的奇偶性）使用了微軟在《自然》論文中描述的相同技術。
△圖 2：使用四元組實現容錯量子計算的路線圖。第一幅圖展示了一個單量子比特設備。四元組由兩條平行拓撲線（藍色）組成，兩端各有一個 MZM（橙色點），由垂直平凡超導導線（淺藍色）連接。第二幅圖展示了一個支持基于測量的編織變換的雙量子比特設備。第三幅圖展示了一個 4×2 四元組陣列，支持在兩個邏輯量子比特上進行量子誤差檢測演示。這些演示旨在實現量子誤差校正，例如右側面板中所示的設備（27×13 四元組陣列）。
另一個關鍵操作是將量子比特置于奇偶校驗態的疊加中。這也是通過對量子點進行微波反射測量來實現的，但測量配置不同，微軟將第一個量子點與納米線分離，并將另一個點連接到設備一端的兩條納米線上。通過執行這兩個正交的泡利測量Z和X，微軟展示了基于測量的控制——這是開啟其路線圖下一步的關鍵里程碑。
微軟的路線圖現在系統地指向可擴展的 QEC。下一步將涉及 4×2 四量子陣列。微軟將首先使用一個雙量子比特子集來演示糾纏和基于測量的編織變換。然后，我們將使用整個八量子比特陣列在兩個邏輯量子比特上實現量子誤差檢測。
拓撲量子比特的內置錯誤保護簡化了 QEC。此外，與之前的先進方法相比，微軟的自定義 QEC 代碼將開銷減少了大約十倍。這種大幅減少意味著其可擴展系統可以用更少的物理量子比特構建，并有可能以更快的時鐘速度運行。
DARPA 的認可
美國國防高級研究計劃局(DARPA) 已選定微軟作為兩家進入其嚴格基準測試計劃最后階段的公司之一，該計劃名為實用級量子計算未開發系統 (US2QC)，是 DARPA 大型量子基準測試計劃 (QBI) 的組成部分之一。微軟認為這一認可是對其構建具有拓撲量子位容錯量子計算機路線圖的認可。
DARPA 的 US2QC 計劃及其更廣泛的量子基準測試計劃代表了一種嚴格的方法來評估量子系統，這些系統可以解決超出傳統計算機能力的問題。迄今為止，US2QC 計劃匯集了來自 DARPA、空軍研究實驗室、約翰霍普金斯大學應用物理實驗室、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室和 NASA 艾姆斯研究中心的專家，以驗證量子硬件、軟件和應用程序。展望未來，規模更大的量子基準測試計劃預計將與更多專家合作，對量子計算機進行測試和評估。
此前，DARPA 評估微軟可以在合理的時間內構建出實用級量子計算機，因此選擇了微軟進行早期階段的研究。隨后，DARPA 評估了微軟量子團隊的容錯量子計算機架構設計和工程計劃。經過仔細分析，DARPA 和微軟簽署了一項協議，開始該項目的最后階段。在此階段，微軟打算在數年內（而不是數十年內）構建基于拓撲量子位的容錯原型，這是邁向實用級量子計算的關鍵加速步驟。
解鎖量子的前景
微軟表示：“十八個月前，我們制定了量子超級計算機的發展路線圖。今天，我們實現了第二個里程碑，展示了世界上第一個拓撲量子比特。我們已經在一塊設計為容納100萬個量子比特的芯片上放置了八個拓撲量子比特。”
百萬量子比特的量子計算機不僅僅是一個里程碑，更是解決世界上一些最困難問題的途徑。即使是當今最強大的超級計算機也無法準確預測決定我們未來必不可少的材料特性的量子過程。但這種規模的量子計算可以帶來創新，例如修復橋梁裂縫的自修復材料、可持續農業和更安全的化學發現。今天需要耗費數十億美元進行詳盡的實驗搜索和濕實驗室實驗的東西，可以通過量子計算機的計算找到。
“我們通往實用量子計算的道路很清晰。基礎技術已經得到驗證，我們相信我們的架構是可擴展的。我們與 DARPA 的新協議表明我們致力于不懈地朝著我們的目標前進：建造一臺能夠推動科學發現并解決重要問題的機器。”微軟在其博客上寫道。
