微軟發布一顆革命性的芯片：量子計算芯片Majorana 1

微軟今天推出了一款革命性的新量子芯片——Majorana 1，據稱它將縮短實現實用容錯計算所需的等待時間，從幾十年縮短到幾年。

這款新芯片以難以捉摸的准粒子（Majorana）命名，而這種准粒子的存在經常受到質疑。它具有許多獨特的優勢，包括速度、尺寸以及固有的抗噪聲誤差能力。

微軟稱，這款新設備爲“世界上第一個拓撲導體，這是一種突破性的材料，可以觀察和控制馬約拉納粒子，從而產生更可靠、更可擴展的量子比特，而量子比特是量子計算機的基石。”微軟表示，在單個Majorana芯片上實現一百萬個量子比特是可能的。

大約 17 年來，盡管業界對此持懷疑態度，但微軟一直在研究神祕的馬約拉納粒子。今天的成果代表着其高風險高回報項目的回報，或許也爲大規模容錯量子計算提供了一條更清晰的道路。

技術研究員兼量子硬件公司副總裁 Chetan Nayak 發表了一篇博客，討論了這項工作和新設備。他特別指出了新進展：

• Majorana 1——世界上第一個由拓撲核心驅動的量子處理單元 (QPU)，旨在在單個芯片上擴展到一百萬個量子比特

• 硬件保護的拓撲量子比特——今天發表在《自然》雜志上的一項研究，以及本周在 Q 站會議上分享的數據，展示了利用一種新型材料和設計一種完全不同類型的量子比特的能力，這種量子比特體積小、速度快、數字化控制

• 可靠量子計算的設備路线圖——從單量子比特設備到實現量子糾錯的陣列的路徑

• 構建世界上第一個基於拓撲量子位的容錯原型 (FTP) — 作爲 DARPA US2QC 計劃最後

• 階段的一部分，微軟將在數年內（而不是數十年）構建可擴展量子計算機的 FTP

“今天的所有公告都建立在我們團隊最近的突破之上：世界上第一個拓撲導體。這種革命性的材料使我們能夠創造拓撲超導性，這是一種以前只存在於理論中的新物質狀態，”納亞克寫道。“這一進步源於微軟在設計和制造柵極定義設備方面的創新，這些設備結合了半導體砷化銦和超導體鋁。當冷卻到接近絕對零度並用磁場調節時，這些設備會形成拓撲超導納米线，導线末端具有 Majorana Zero Modes (MZM)。

“近一個世紀以來，這些准粒子只存在於教科書中。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‘奇偶性’存儲量子信息——導线包含偶數還是奇數個電子。在傳統超導體中，電子結合成庫珀對並無阻力移動。任何未配對的電子都可以被檢測到，因爲它的存在需要額外的能量。我們的拓撲導體不同：在這裏，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，”Nayak 寫道。

大多數量子觀察家都知道，Majorana是一種准粒子或一種特殊的物質狀態，它天生就能夠抵抗導致量子計算機出錯的環境噪聲。基於Majorana的量子比特被稱爲拓撲量子比特，廣義上講，這意味着信息（零和一）在空間中分散（交織），使它們不易受到噪聲（熱量、電磁幹擾等）的影響。

毫無疑問，Majorana 概念可能會令人困惑。微軟已經完成了一項出色的工作，他們構建了一個微型網站，其中包含各種材料（博客、新聞稿、視頻）以幫助澄清問題。對於技術性更強的讀者，本文末尾附有兩篇論文的摘要：1)使用拓撲量子位陣列實現容錯量子計算的路线圖，以及 2) InAs-Al 混合設備中的幹涉單次奇偶校驗測量。

爲了讓大家大致了解微軟的計劃，下面是路线圖的摘錄：“我們的路线圖涵蓋四代設備：單量子比特設備，可實現基於測量的量子比特基准測試協議；雙量子比特設備，使用基於測量的編織來執行單量子比特 Clifford 操作；八量子比特設備，可用於顯示在邏輯量子比特上而不是直接在物理量子比特上執行雙量子比特操作時的改進；拓撲量子比特陣列，支持在兩個邏輯量子比特上進行晶格手術演示。”

創造和控制馬約拉納粒子只是挑战的一部分。开發一種測量和讀出量子比特的實用方法也具有挑战性。微軟研究人員开發了一種幹涉測量方法，該方法在《自然》雜志的論文中進行了描述，可以進行單次費米子奇偶校驗測量。

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。

Nayak 寫道：“傳統量子計算通過精確的角度旋轉量子態，需要爲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，它必須依靠這些同樣敏感的操作來檢測和糾正錯誤。

“我們基於測量的方法大大簡化了 QEC。我們完全通過由連接和斷开量子點與納米线的簡單數字脈衝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。”

微軟顯然對基於超導量子比特的拓撲量子計算機寄予厚望。所有模式都有優點和缺點。例如，捕獲離子和中性原子具有較長的相幹時間，但被認爲運行緩慢。Transmon 超導量子比特非常快，但很容易受到噪聲的影響。

微軟認爲，其拓撲導體是一種具有可擴展性、速度和抗錯誤能力的“金發姑娘”方法。

研究人員在路线圖論文中寫道：“對於具有數百甚至數千個邏輯量子比特、能夠解決商業相關問題的實用級量子計算機來說，這裏列出的量子比特方法具有幾個關鍵優勢。首先，單個量子比特的面積約爲 5 µm× 3 µm，因此可以在單個晶圓上安裝數百萬個量子比特。其次，物理操作可以在µs時間尺度上執行，從而將實用級計算的運行時間縮短至數小時至數天。第三，拓撲保護可以系統性地、指數級地減少無量綱參數比中的許多錯誤機制，例如溫度與拓撲間隙 ∆ /k B T 的關系以及拓撲相幹長度 L/ξ 之間的线長。”

時間會證明一切。

Majorana 1 設備仍是一種研究設備。在回復電子郵件詢問時，微軟表示：“我們認爲可擴展的機器將在幾年內而不是幾十年內問世。我們還致力於及時公开發表我們在此過程中的研究成果，同時保護公司的知識產權。今天，我們達到了量子路线圖的第二個裏程碑，展示了世界上第一個拓撲量子比特。我們已經在一個設計爲容納一百萬個拓撲量子比特的芯片上放置了八個拓撲量子比特。”

目前，量子計算發展領域充滿了強勁、多樣化的努力，很難在提供大規模、實用的容錯量子計算機的競賽中阻礙參與者。

微軟並不是唯一一家追求拓撲量子比特的公司。囚禁離子量子計算專家Quantinuum報告稱，該公司將在 2023 年創建拓撲量子比特。此外，橡樹嶺國家實驗室的量子科學中心 ( QSC ) 是美國《量子倡議法案》下設立的五個量子信息研究中心之一，其核心任務是开發能夠支持拓撲量子計算的材料。

QSC 主任 Travis Humble 表示：“微軟的成果是量子計算領域的重要進展。它們展示了拓撲超導納米线設計中奇偶校驗的測量結果。這是驗證拓撲保護的第一步，應該开展更多工作來證明預期的非阿貝爾統計。我認爲最新成果將增強拓撲量子計算領域的努力。”

重要的是要記住，量子糾錯仍然是需要的，微軟在其路线圖中闡明了在其架構上實現 QEC 的方法。

[2025 年 2 月 19 日下午 4:12 更新]在今天宣布這一消息的前一周，Hyperion Research 高級副總裁兼首席量子分析師 Bob Sorensen 剛剛拜訪了微軟，他告訴 HPCwire：“與 Atom Computing、Quantinuum 和 Photonic 等公司之間一些較爲放任的關系相比，這是微軟真正的草根努力。他們的內部开發實驗室令人印象深刻，能夠處理設計和構建有效 QC 包所需的大部分生產工作。

“從根本上講，這是一個有趣的架構，與現有的任何架構都不同，而且確實顯示出一些真正的前景。關鍵在於，微軟認爲，既然他們現在有了一個量子比特，那么擴展到一百萬個量子比特的其余問題就不會太難解決，盡管他們沒有宣布時間框架。

“最終，這裏最大的收獲是，他們並不急於加入競爭，而是樂於按照自己的節奏前進，等待他們真正展示出真正的量子能力。這裏的環境比我在其他 QC 商店看到的要稍微不那么忙碌。我想這是因爲他們對長期資金流充滿信心。”

最後，值得注意的是，Majorana 1 及其相關研究只是微軟量子計算活動組合的一部分，其中大部分都歸屬於Azure Quantum旗下。最近，微軟宣布計劃推出一款採用 Atom Computing 的容錯計算機，該計算機使用中性原子量子比特，並將利用微軟的虛擬化邏輯量子比特功能。

摘要1 – 使用拓撲量子位陣列實現容錯量子計算的路线圖

我們描述了一個具體的設備路线圖，該路线圖基於抗噪聲、拓撲保護的基於 Majorana 的量子比特，可實現容錯量子計算架構。我們的路线圖涵蓋了四代設備：單量子比特設備，可實現基於測量的量子比特基准測試協議；雙量子比特設備，使用基於測量的編織來執行單量子比特 Clifford 操作；八量子比特設備，可用於展示在邏輯量子比特上而不是直接在物理量子比特上執行雙量子比特操作時的改進；拓撲量子比特陣列，支持在兩個邏輯量子比特上進行晶格手術演示。實現此路徑的設備需要支持拓撲相的超導體-半導體異質結構、量子點和這些量子點之間的耦合，這些耦合可以爲幹涉測量創建適當的環路，以及可以執行快速、低誤差單次測量的微波讀出系統。我們描述了這些量子比特設備的關鍵設計組件，以及用於演示單量子比特基准測試、Clifford 門執行、量子誤差檢測和量子誤差校正的相關協議，這些協議與更傳統的量子比特有很大不同。最後，我們評論了這種架構對實用級量子計算的影響和優勢。

摘要 2 – InAs-Al 混合器件中的幹涉單次奇偶校驗測量

非阿貝爾任意子的融合是僅測量拓撲量子計算的基本操作。在一維拓撲超導體中，融合相當於確定馬約拉納零模式的共享費米子奇偶性。在這裏，我們介紹了一種與未來融合規則測試兼容的設備架構。我們利用柵極定義的超導納米线對砷化銦-鋁異質結構中的費米子奇偶性進行了單次幹涉測量。幹涉儀是通過將鄰近的納米线與量子點進行隧道耦合而形成的。納米线導致這些量子點的量子電容發生高達 1 fF 的狀態相關偏移。我們的量子電容測量顯示通量 h/2e 周期雙峰性，在最佳通量值下，信噪比爲 1/3.6 µs。從量子電容測量的時間軌跡中，我們提取了在平面磁場約爲 2 T 時兩個關聯態的停留時間超過 1 毫秒。我們從拓撲平凡和非平凡起源的角度討論了測量結果的解釋。較大的電容偏移和較長的中毒時間使得奇偶校驗測量的分配錯誤概率爲 1%。

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