微軟發(fā)布新型量子計(jì)算芯片Majorana 1

隨著美國科技巨頭微軟公司周三發(fā)布新型量子計(jì)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，通過這個(gè)“全球首款拓?fù)浼軜?gòu)量子芯片”，開發(fā)出能解決“有意義工業(yè)規(guī)模問題”的量子計(jì)算機(jī)，將是未來幾年就能實(shí)現(xiàn)的事情，而不是科學(xué)界此前預(yù)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(jì)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(xiàng)技術(shù)突破的大背景，量子計(jì)算機(jī)的核心是量子比特（qubits），這是量子計(jì)算中的信息單位，類似于今天計(jì)算機(jī)使用的二進(jìn)制。問題在于，量子比特相當(dāng)脆弱，并且對環(huán)境噪聲非常敏感，可能導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤或數(shù)據(jù)丟失——對于計(jì)算機(jī)來說是毀滅性的結(jié)果。這也是量子計(jì)算目前發(fā)展緩慢的核心矛盾。

對于正在開發(fā)量子計(jì)算機(jī)的微軟、谷歌、IBM來說，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在可控大小的芯片上容納100萬個(gè)量子比特——俗稱通用容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。

為了解決這個(gè)問題，微軟花了17年時(shí)間交出了目前的答卷：通過創(chuàng)造所謂的“世界首個(gè)拓?fù)潴w”，得以觀察和控制馬約拉納粒子，從而產(chǎn)生更可靠和可擴(kuò)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，這種粒子從未被觀察到或制造出來。在《自然》雜志發(fā)表的論文中，微軟透露使用砷化銦（半導(dǎo)體）和鋁（超導(dǎo)體），通過逐個(gè)原子設(shè)計(jì)和構(gòu)建拓?fù)鋵?dǎo)體線材——所謂“量子時(shí)代的晶體管”。

微軟研究員Krysta Svore介紹稱，正確選擇材料堆棧以產(chǎn)生拓?fù)湮飸B(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。”

微軟解釋稱，當(dāng)拓?fù)鋵?dǎo)體線材被冷卻到接近絕對零度并通過磁場調(diào)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(wěn)定。它們快速、小巧且可以數(shù)字控制，并具有獨(dú)特的屬性，可以保護(hù)量子信息。

在Majorana 1芯片上，微軟將拓?fù)鋵?dǎo)體納米線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(gòu)成一個(gè)量子比特。“H”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。通過這種方式，微軟使得量子比特能夠以數(shù)字方式進(jìn)行控制，重新定義并大大簡化了量子計(jì)算的工作方式。

除了制造馬約拉納粒子外，微軟現(xiàn)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(dǎo)線中十億個(gè)和十億零一個(gè)粒子之間的差異——這會(huì)告訴計(jì)算機(jī)量子比特處于什么狀態(tài)，并為量子計(jì)算奠定基礎(chǔ)。測量可以通過電壓脈沖開關(guān)來開啟和關(guān)閉，簡化了量子計(jì)算的過程和構(gòu)建可擴(kuò)展機(jī)器的物理要求。

當(dāng)然，微軟最終的目標(biāo)依然是在巴掌大的芯片上，放入100萬個(gè)量子比特。

對于人類而言，量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)也意味著現(xiàn)在許多“投入全地球算力仍需要幾千年才能解決的問題”，看到短期內(nèi)解決的希望，特別是在材料學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

接下來進(jìn)入“畫餅”時(shí)間。

微軟表示，通過量子計(jì)算的強(qiáng)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”，從而開發(fā)出能自動(dòng)修復(fù)橋梁、飛機(jī)部件裂紋、破碎手機(jī)屏幕的自愈材料。

量子計(jì)算也能全面釋放AI的潛能?？茖W(xué)家和開發(fā)者能夠用簡單的語言來描述他們想要?jiǎng)?chuàng)造的新材料或者分子，并能立即得到答案，無需猜測或多年的試錯(cuò)。

這一領(lǐng)域中國亦有布局

對于微軟報(bào)告中提及的“拓?fù)淞孔印焙汀榜R約拉納零能?！钡阮I(lǐng)域，中國科學(xué)家近幾年來也有科研進(jìn)展。

據(jù)央視2022年時(shí)報(bào)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(tuán)隊(duì)對鐵基超導(dǎo)體LiFeAs進(jìn)行了更加細(xì)致而深入的研究。他們在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力可以誘導(dǎo)出的大面積、高度有序和可調(diào)控的馬約拉納零能模格點(diǎn)陣列。這項(xiàng)研究為實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)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(tuán)隊(duì)，在拓?fù)渚w絕緣體的超導(dǎo)磁通渦旋中發(fā)現(xiàn)多重馬約拉納零能模存在的關(guān)鍵證據(jù)。這項(xiàng)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。