當(dāng)?shù)貢r(shí)間2月19日，微軟正式發(fā)布了旗下首款量子計(jì)算芯片“Majorana 1”，這也是全球首款拓?fù)淞孔颖忍仳?qū)動(dòng)的量子處理器。“Majorana 1”采用了一種名為拓?fù)鋵?dǎo)體（topoconductor）的突破性材料制成，目前可在芯片上放置8個(gè)拓?fù)淞孔颖忍兀瑯?biāo)志著向?qū)嵱昧孔佑?jì)算邁出了變革性的飛躍。未來(lái)甚至可以在單個(gè)芯片上擴(kuò)展到100萬(wàn)個(gè)量子比特。目前相關(guān)研究論文已經(jīng)發(fā)表在了《自然》雜志上。

利用新型材料

據(jù)微軟介紹，拓?fù)鋵?dǎo)體（topoconductor）是一種以前僅存在于理論中的新物質(zhì)狀態(tài)，這種革命性的材料的出現(xiàn)可以使我們能夠創(chuàng)造拓?fù)涑瑢?dǎo)性。這一進(jìn)步源于微軟在設(shè)計(jì)和制造柵極定義設(shè)備方面的創(chuàng)新，這些設(shè)備結(jié)合了砷化銦（一種半導(dǎo)體）和鋁（一種超導(dǎo)體）。當(dāng)冷卻到接近絕對(duì)零度并用磁場(chǎng)調(diào)節(jié)時(shí)，這些設(shè)備會(huì)形成拓?fù)涑瑢?dǎo)納米線，導(dǎo)線末端具有馬約拉納零模式 (MZM)。

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，這些準(zhǔn)粒子只存在于教科書(shū)中?，F(xiàn)在，我們可以根據(jù)需要在拓?fù)鋵?dǎo)體中創(chuàng)建和控制它們。MZM 是我們量子比特的構(gòu)建塊，通過(guò)“奇偶校驗(yàn)”存儲(chǔ)量子信息——導(dǎo)線包含偶數(shù)還是奇數(shù)個(gè)電子。在傳統(tǒng)超導(dǎo)體中，電子結(jié)合成庫(kù)珀對(duì)并無(wú)阻力移動(dòng)。任何未配對(duì)的電子都可以被檢測(cè)到，因?yàn)樗拇嬖谛枰~外的能量。我們的拓?fù)鋵?dǎo)體有所不同：在這里，一對(duì) MZM 之間共享一個(gè)未配對(duì)的電子，使其對(duì)環(huán)境不可見(jiàn)。這種獨(dú)特的屬性保護(hù)了量子信息。

雖然這使得我們的拓?fù)鋵?dǎo)體成為量子比特的理想候選者，但它也帶來(lái)了一個(gè)挑戰(zhàn)：我們?nèi)绾巫x取隱藏得如此好的量子信息？我們?nèi)绾螀^(qū)分 1,000,000,000 個(gè)電子和 1,000,000,001 個(gè)電子？

微軟對(duì)這一測(cè)量挑戰(zhàn)的解決方案如下（另見(jiàn)圖 1）：

微軟使用數(shù)字開(kāi)關(guān)將納米線的兩端耦合到量子點(diǎn)，量子點(diǎn)是一種可以存儲(chǔ)電荷的微小半導(dǎo)體器件。

這種連接提高了點(diǎn)保持電荷的能力。至關(guān)重要的是，確切的增加取決于納米線的奇偶校驗(yàn)。

△圖 1：讀取我們的拓?fù)淞孔颖忍氐臓顟B(tài)。

微軟用微波測(cè)量這種變化。量子點(diǎn)保持電荷的能力決定了微波如何從量子點(diǎn)反射。因此，它們會(huì)帶著納米線量子態(tài)的印記返回。

微軟設(shè)計(jì)的設(shè)備足以讓這些變化大到足以在一次測(cè)量中可靠地進(jìn)行測(cè)量。最初的測(cè)量誤差概率為 1%，但現(xiàn)在已經(jīng)確定了明顯的途徑來(lái)顯著降低這一誤差。

微軟表示，該系統(tǒng)表現(xiàn)出了令人印象深刻的穩(wěn)定性。外部能量（例如電磁輻射）可以破壞庫(kù)珀對(duì)，產(chǎn)生不成對(duì)的電子，從而將量子比特的狀態(tài)從偶數(shù)變?yōu)槠鏀?shù)。但是，最終結(jié)果表明這種情況很少見(jiàn)，平均每毫秒只發(fā)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(lèi)輻射。微軟正在探索進(jìn)一步減少這種情況的方法。

量子計(jì)算需要我們?cè)O(shè)計(jì)一種專(zhuān)門(mén)用于實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的新物質(zhì)狀態(tài)，這也許并不奇怪。值得注意的是，微軟的讀出技術(shù)已經(jīng)非常精確，這表明微軟正在利用這種奇異的物質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行量子計(jì)算。

通過(guò)數(shù)字精度徹底改變量子控制

這種讀出技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從根本上不同的量子計(jì)算方法，其中使用測(cè)量來(lái)執(zhí)行計(jì)算。

傳統(tǒng)量子計(jì)算以精確的角度旋轉(zhuǎn)量子態(tài)，需要為每個(gè)量子位定制復(fù)雜的模擬控制信號(hào)。這使量子糾錯(cuò) (QEC) 變得復(fù)雜，因?yàn)榱孔蛹m錯(cuò)必須依靠這些同樣敏感的操作來(lái)檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤。

微軟基于測(cè)量的方法大大簡(jiǎn)化了 QEC。我們完全通過(guò)由連接和斷開(kāi)量子點(diǎn)與納米線的簡(jiǎn)單數(shù)字脈沖激活的測(cè)量來(lái)執(zhí)行誤差校正。這種數(shù)字控制使得管理實(shí)際應(yīng)用所需的大量量子比特變得切實(shí)可行。

從物理學(xué)到工程學(xué)

隨著核心構(gòu)建模塊的展示——在 MZM 中編碼、受拓?fù)浔Ｗo(hù)并通過(guò)測(cè)量處理的量子信息——微軟已準(zhǔn)備好從物理突破轉(zhuǎn)向?qū)嶋H實(shí)施。

下一步是圍繞單量子比特設(shè)備（稱(chēng)為 Tetron）構(gòu)建可擴(kuò)展架構(gòu)（見(jiàn)圖 2）。在 Station Q 會(huì)議上，微軟分享了演示此量子比特基本操作的數(shù)據(jù)。一項(xiàng)基本操作（測(cè)量 Tetron 中拓?fù)浼{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(shù)。

△圖 2：使用四元組實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算的路線圖。第一幅圖展示了一個(gè)單量子比特設(shè)備。四元組由兩條平行拓?fù)渚€（藍(lán)色）組成，兩端各有一個(gè) MZM（橙色點(diǎn)），由垂直平凡超導(dǎo)導(dǎo)線（淺藍(lán)色）連接。第二幅圖展示了一個(gè)支持基于測(cè)量的編織變換的雙量子比特設(shè)備。第三幅圖展示了一個(gè) 4×2 四元組陣列，支持在兩個(gè)邏輯量子比特上進(jìn)行量子誤差檢測(cè)演示。這些演示旨在實(shí)現(xiàn)量子誤差校正，例如右側(cè)面板中所示的設(shè)備（27×13 四元組陣列）。

另一個(gè)關(guān)鍵操作是將量子比特置于奇偶校驗(yàn)態(tài)的疊加中。這也是通過(guò)對(duì)量子點(diǎn)進(jìn)行微波反射測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但測(cè)量配置不同，微軟將第一個(gè)量子點(diǎn)與納米線分離，并將另一個(gè)點(diǎn)連接到設(shè)備一端的兩條納米線上。通過(guò)執(zhí)行這兩個(gè)正交的泡利測(cè)量Z和X，微軟展示了基于測(cè)量的控制——這是開(kāi)啟其路線圖下一步的關(guān)鍵里程碑。

微軟的路線圖現(xiàn)在系統(tǒng)地指向可擴(kuò)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(gè)雙量子比特子集來(lái)演示糾纏和基于測(cè)量的編織變換。然后，我們將使用整個(gè)八量子比特陣列在兩個(gè)邏輯量子比特上實(shí)現(xiàn)量子誤差檢測(cè)。

拓?fù)淞孔颖忍氐膬?nèi)置錯(cuò)誤保護(hù)簡(jiǎn)化了 QEC。此外，與之前的先進(jìn)方法相比，微軟的自定義 QEC 代碼將開(kāi)銷(xiāo)減少了大約十倍。這種大幅減少意味著其可擴(kuò)展系統(tǒng)可以用更少的物理量子比特構(gòu)建，并有可能以更快的時(shí)鐘速度運(yùn)行。

DARPA 的認(rèn)可

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA) 已選定微軟作為兩家進(jìn)入其嚴(yán)格基準(zhǔn)測(cè)試計(jì)劃最后階段的公司之一，該計(jì)劃名為實(shí)用級(jí)量子計(jì)算未開(kāi)發(fā)系統(tǒng) (US2QC)，是 DARPA 大型量子基準(zhǔn)測(cè)試計(jì)劃 (QBI) 的組成部分之一。微軟認(rèn)為這一認(rèn)可是對(duì)其構(gòu)建具有拓?fù)淞孔游蝗蒎e(cuò)量子計(jì)算機(jī)路線圖的認(rèn)可。

DARPA 的 US2QC 計(jì)劃及其更廣泛的量子基準(zhǔn)測(cè)試計(jì)劃代表了一種嚴(yán)格的方法來(lái)評(píng)估量子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以解決超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)能力的問(wèn)題。迄今為止，US2QC 計(jì)劃匯集了來(lái)自 DARPA、空軍研究實(shí)驗(yàn)室、約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室、洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和 NASA 艾姆斯研究中心的專(zhuān)家，以驗(yàn)證量子硬件、軟件和應(yīng)用程序。展望未來(lái)，規(guī)模更大的量子基準(zhǔn)測(cè)試計(jì)劃預(yù)計(jì)將與更多專(zhuān)家合作，對(duì)量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。

此前，DARPA 評(píng)估微軟可以在合理的時(shí)間內(nèi)構(gòu)建出實(shí)用級(jí)量子計(jì)算機(jī)，因此選擇了微軟進(jìn)行早期階段的研究。隨后，DARPA 評(píng)估了微軟量子團(tuán)隊(duì)的容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)和工程計(jì)劃。經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，DARPA 和微軟簽署了一項(xiàng)協(xié)議，開(kāi)始該項(xiàng)目的最后階段。在此階段，微軟打算在數(shù)年內(nèi)（而不是數(shù)十年內(nèi)）構(gòu)建基于拓?fù)淞孔游坏娜蒎e(cuò)原型，這是邁向?qū)嵱眉?jí)量子計(jì)算的關(guān)鍵加速步驟。

解鎖量子的前景

微軟表示：“十八個(gè)月前，我們制定了量子超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展路線圖。今天，我們實(shí)現(xiàn)了第二個(gè)里程碑，展示了世界上第一個(gè)拓?fù)淞孔颖忍?。我們已?jīng)在一塊設(shè)計(jì)為容納100萬(wàn)個(gè)量子比特的芯片上放置了八個(gè)拓?fù)淞孔颖忍??！?/p>

百萬(wàn)量子比特的量子計(jì)算機(jī)不僅僅是一個(gè)里程碑，更是解決世界上一些最困難問(wèn)題的途徑。即使是當(dāng)今最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)也無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)決定我們未來(lái)必不可少的材料特性的量子過(guò)程。但這種規(guī)模的量子計(jì)算可以帶來(lái)創(chuàng)新，例如修復(fù)橋梁裂縫的自修復(fù)材料、可持續(xù)農(nóng)業(yè)和更安全的化學(xué)發(fā)現(xiàn)。今天需要耗費(fèi)數(shù)十億美元進(jìn)行詳盡的實(shí)驗(yàn)搜索和濕實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的東西，可以通過(guò)量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算找到。

“我們通往實(shí)用量子計(jì)算的道路很清晰?；A(chǔ)技術(shù)已經(jīng)得到驗(yàn)證，我們相信我們的架構(gòu)是可擴(kuò)展的。我們與 DARPA 的新協(xié)議表明我們致力于不懈地朝著我們的目標(biāo)前進(jìn)：建造一臺(tái)能夠推動(dòng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)并解決重要問(wèn)題的機(jī)器。”微軟在其博客上寫(xiě)道。