原標題：微軟發(fā)布量子芯片 二十年磨一劍，馬斯克轉(zhuǎn)發(fā)力挺
在所有人都在談論 iPhone 16e 的國行價格時，微軟首發(fā)的量子計算芯片 Majorana 1 也化身科技圈的汪峰，被搶去了不少聲浪。
但作為科技圈的現(xiàn)象級新聞，被微軟 CEO 薩提亞·納德拉稱之為不是技術(shù)炒作，而是世界級科技的 Majorana 1，還是值得拿出來說道說道的。
包括馬斯克也激動地轉(zhuǎn)發(fā)納德拉的推文，并盛贊量子計算的突破越來越多，或許也從側(cè)面印證了 Majorana 1 的分量。
Majorana 1 巴掌大小，卻能解決全球超算難題？
微軟剛剛推出的 Majorana 1，是全球首款基于新型拓撲核心架構(gòu)的量子芯片。
字都認識，但連在一起就不懂了。
別急，在理解這句話之前，我們需要了解一個知識點——「拓撲導體」。
在我們的傳統(tǒng)認知中，物質(zhì)主要以固體、液體和氣體三種狀態(tài)存在。而經(jīng)過近 20 年的探索，微軟成功創(chuàng)造出第四種物質(zhì)形態(tài)——拓撲態(tài)。
「拓撲」是一種很特別的科學原理，簡單來說，它能讓芯片里的信息傳輸和存儲變得更加穩(wěn)定，不容易出錯。微軟的科學家們開發(fā)出了一種全新的材料，叫「拓撲導體」。
微軟表示，就像半導體的發(fā)明讓如今的智能手機、計算機和電子設備為之誕生一樣，拓撲導體及其所支持的新型芯片，為量子系統(tǒng)的發(fā)展提供了一條可行的道路。
這種由砷化銦（半導體）和鋁（超導體）構(gòu)建而成的拓撲導體，能在接近絕對零度的環(huán)境下形成拓撲超導態(tài)，為量子芯片提供了一個超級穩(wěn)定的「骨架」，也讓其朝著更實用、更強大的方向邁進了一大步。
另一個需要掌握的知識點是量子比特。
在傳統(tǒng)計算機中，比特 只能表示 0 或 1，而量子計算機中的量子比特能夠同時表示 0 和 1，或介于兩者之間的任意狀態(tài)，從而帶來更強的計算能力。
然而，大多數(shù)類型的量子比特只能維持量子態(tài)極短的時間，通常僅為幾分之一秒，導致計算錯誤或者存儲的信息很快丟失。多年來，IBM、微軟和 Google 等公司一直在努力讓量子比特像二進制比特一樣穩(wěn)定。
為此，微軟選擇了一條與 IBM、Google 等公司不同的道路——研發(fā)拓撲量子比特。他們認為，這種量子比特更穩(wěn)定，所需的糾錯更少，從而在速度、規(guī)模和可控性方面具備優(yōu)勢。
而這條道路主要依賴于一種從未被真正觀測到或制造出來的特殊粒子——Majorana 粒子。
這種由理論物理學家 Ettore Majorana 在 1937 年首次提出的特殊粒子，并不存在于自然界中，只能在磁場和超導體的特定條件下被「誘導」產(chǎn)生。由于制造這種粒子所需的材料研發(fā)難度極大，大多數(shù)量子計算研究團隊選擇了放棄這條路徑，轉(zhuǎn)而研究其他類型的量子比特。
然而，微軟的 Majorana 1 聲稱取得了關鍵性突破。
他們開發(fā)的拓撲導體成功實現(xiàn)了兩個目標，一個是能夠在特定條件下誘導出 Majorana 粒子，另一個則是能夠精確控制這些粒子的行為，從而構(gòu)建出穩(wěn)定性和可靠性都遠超傳統(tǒng)方案的量子比特。
在此基礎上，微軟團隊在測量技術(shù)上也實現(xiàn)了重大進展。
微軟研究團隊開發(fā)了一種通過數(shù)字脈沖控制的精確測量方法，能夠檢測出超導線中電子數(shù)量的奇偶性變化（即單個電子的差異），從而實現(xiàn)對量子比特狀態(tài)的高精度讀取。
想象你有一罐彈珠，但這罐彈珠特別特別小，小到肉眼根本看不見�，F(xiàn)在你需要知道罐子里是單數(shù)個還是雙數(shù)個彈珠，而且要特別準確，差一個都不行。
微軟團隊通過發(fā)送一些特殊的電信號（就像用手電筒的光去照），就能精確地告訴你罐子里的彈珠是單數(shù)還是雙數(shù)，在量子計算機里，我們需要精確知道每個量子比特的狀態(tài)（就像知道彈珠的數(shù)量），這樣才能確保計算是準確的。
如果連這些最基礎的信息都讀不準，那量子計算機就像是一個算錯題的計算器，毫無用處。
Majorana 1 芯片推出的同一天，相關研究論文也在《Nature》上發(fā)表。
自 2005 年微軟技術(shù)研究員 Nayak 加入并開始研究這一難題以來，已經(jīng)歷時近 20 年，跨越多任 CEO、不同管理團隊和多個領導層，光這篇《Nature》論文就包含了 160 多位研究人員、科學家和工程師的名字。
附上論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2
與大多數(shù)芯片公司依賴臺積電等制造商不同， Majorana 1 的核心組件只會由微軟在美國自主制造。核心原因在于目前的研發(fā)仍處于小規(guī)模實驗階段，無需也很難做到大規(guī)模代工生產(chǎn)。
在物理實現(xiàn)上，Majorana 1 采用了獨特的 H 形結(jié)構(gòu)設計，每個結(jié)構(gòu)包含四個可控的 Majorana 粒子，能夠像瓷磚一樣在芯片上擴展。這種設計使得量子比特在保持穩(wěn)定性的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)更小的體積和更高的集成度。
每個拓撲量子比特尺寸僅有 1/100毫米大小，眼前的這塊 Majorana 1 芯片只有巴掌大小，但也集成了 8 個量子比特，而芯片的量子比特越多，它的能力就越強。
納德拉更是宣稱，這塊可以輕松握在掌心的芯片，能夠解決當今地球上所有超級計算都無法突破的難題。
不過，微軟執(zhí)行副總裁 Jason Zander 在接受 CNBC 采訪時表示：「在討論商業(yè)可靠性之前，我們希望先實現(xiàn)幾百個量子比特�！�
為了實現(xiàn)大規(guī)模的量子計算，微軟未來計劃在單個芯片上集成百萬量子比特，甚至有望直接部署在 Azure 數(shù)據(jù)中心內(nèi)。對此，馬里蘭大學物理學家 Sankar Das Sarma 的評價則是正確的、中肯的、一針見血的：
拓撲量子比特最大的劣勢在于，它仍然更像是一個物理學問題，但如果微軟今天的所有聲明都屬實……那么也許物理階段正接近尾聲，而工程實現(xiàn)的階段即將開始。
百萬量子比特超算或提前到來，微軟熬出頭了？
「無論在量子計算領域做什么，都必須有一條通往百萬量子比特的明確路徑。否則，在真正達到能夠解決那些推動我們前進的重要問題的規(guī)模之前，就會遇到瓶頸，而我們，已經(jīng)找到了這條道路�！�
微軟技術(shù)研究員 Chetan Nayak 如上說道。量變引起質(zhì)變，容納百萬量子比特也只是量子計算機的最低門檻。倘若 Nayak 所言不虛，那將會帶來什么影響呢？
微軟官方在博客中列舉了幾個例子：
幫助研究材料腐蝕和裂紋的成因，推動自我修復材料的發(fā)展，比如修復橋梁或飛機部件的裂縫、碎裂的手機屏幕，甚至被劃傷的車門。
計算催化劑的分子特性，將塑料污染物分解為有價值的副產(chǎn)品，甚至直接開發(fā)無毒的替代材料。
精確模擬酶的作用機理，使其應用更加高效，從而提高土壤肥力，提升糧食產(chǎn)量，或在惡劣氣候條件下促進農(nóng)作物的可持續(xù)生長，從而幫助解決全球饑餓問題。
最重要的是，量子計算能夠讓工程師、科學家、企業(yè)以及其他領域的專業(yè)人士在第一時間精準設計出理想的產(chǎn)品，從而徹底改變從醫(yī)療保健到產(chǎn)品開發(fā)等各個行業(yè)。
當量子計算的強大能力與 AI 工具結(jié)合后，人們可以用簡單直白的語言描述自己想要創(chuàng)造的新材料或新分子，并立即獲得可行的答案，無需猜測，也無需反復試驗多年。
用微軟量子計算負責人Matthias Troyer 的話來說：
「任何從事制造的公司，都可以在第一次嘗試時就完美設計出產(chǎn)品，量子計算機會直接給出答案。量子計算機能教會 AI 『自然界的語言』，從而讓 AI 直接告訴你，如何配制出你想要的東西�！�
盡管已經(jīng)解決了許多科學和工程上的難題，但收獲成熟的果實還需要幾年時間。微軟技術(shù)研究員 Krysta Svore 提到，實現(xiàn)拓撲態(tài)物質(zhì)的材料堆疊是整個過程中最困難的部分之一。
如開篇所說，微軟的拓撲導體由砷化銦制成，而不是傳統(tǒng)的硅材料。砷化銦具有特殊的物理性質(zhì)，適用于紅外探測器等應用。通過極低溫使其與超導性結(jié)合，形成了一種混合材料。
微軟通過逐個原子的方式「噴灑」材料，要求材料完美排列，如果材料堆疊中存在太多缺陷，量子比特的性能會受到嚴重影響。
一個「先有雞還是先有蛋」的問題就出現(xiàn)了，如果要制造更好的量子計算機，我們需要更完美的材料，但要理解如何制造更完美的材料，我們又需要量子計算機的幫助
不過，量子超級計算機的到來或許也不用等很久。根據(jù)微軟制定的路線圖，我們總結(jié)了幾個關鍵點：
展示世界上第一個拓撲量子比特，并在單個芯片上集成了 8 個拓撲量子比特。
計劃構(gòu)建一個 4×2 的量子比特陣列，用于演示量子糾纏和量子錯誤檢測。
最終實現(xiàn)單芯片集成百萬量子比特，打造量子超級計算機，并推動量子計算的實用化。
另一方面，美國國防高級研究計劃局（DARPA） 已選擇微軟作為進入「未充分開發(fā)的公用事業(yè)規(guī)模量子計算系統(tǒng)」（US2QC）最終階段的兩家公司之一。
這一計劃是 DARPA 更大范圍的量子基準測試計劃的一部分，旨在驗證是否能夠在 2033 年前構(gòu)建出具有實用價值的量子計算機。
換句話說，微軟預計將在幾年內(nèi)（而非幾十年）構(gòu)建基于拓撲量子比特的容錯原型量子計算機。
有生之年系列再 +1。
當然，也不是所有人都看好這一發(fā)展速度。英偉達 CEO 黃仁勛曾在年初的 CES 2025 上公開表示，距離量子計算機的實用落地至少還有 20 年的時間。
如果你說 15 年內(nèi)就能制造出非常有用的量子計算機，那可能有點早。如果你說 30 年，那可能已經(jīng)晚了。如果你說 20 年，我想我們很多人都會相信。
黃仁勛的潑冷水也不全然出于競爭考慮，量子計算需要 GPU 進行混合計算模擬和算法優(yōu)化，而英偉達的 GPU 可增強量子計算機的 AI 泛化能力，亦可相輔相成。
作為補充，美國初創(chuàng)公司 PsiQuantum 是 DARPA 選定的另一家企業(yè)，其量子計算技術(shù)則是基于光子量子比特。去年，PsiQuantum 宣布在澳大利亞投資 6.2 億美元，建設一個全規(guī)模量子計算系統(tǒng)。
關于微軟的拓撲量子比特，還有一個不得不提的《Nature》撤稿故事。
長期以來，科學家一直在尋找 Majorana 粒子的存在證據(jù)，2012 年，Leo Kouwenhoven 及其國際團隊發(fā)表論文，首次在實驗上暗示了 Majorana 粒子的存在。
該研究也被 Physics World 評為當年年度十大突破之一。
到了 2016 年，微軟設立 Microsoft Quantum Lab 并聘請 Kouwenhoven 擔任主任，以推進 Majorana 量子比特的研究。兩年后，他們的努力似乎迎來了重大突破，在《Nature》發(fā)表了一篇轟動性論文。
這篇論文提到，他們在 0.02 K 的極低溫環(huán)境下，觀察到兩個電子在納米線的末端成對存在，其中一個電子位于半導體部分，另一個電子位于超導層。
但問題是，他們只能證明其中一對電子的存在，卻無法證明另一對電子的存在，而后者是形成 Majorana 量子比特的必要條件。
面對科學界的質(zhì)疑聲，Kouwenhoven 團隊重新分析了原始數(shù)據(jù)，并重新搭建實驗裝置以校準某些參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此前的論文實驗結(jié)果難以復現(xiàn)。
2023 年，《Nature》正式發(fā)布撤稿聲明，Kouwenhoven 團隊也以實事求是的態(tài)度承認了論文在科學嚴謹性上的不足，并向?qū)W術(shù)界致歉。
深入調(diào)查顯示，研究團隊沒有造假，但也確實存在數(shù)據(jù)篩選和實驗誤差。
據(jù)悉，這一撤稿后續(xù)引發(fā)了學術(shù)界對量子計算研究「過度炒作」的大量討論，這也是微軟 CEO 會在 X 平臺的發(fā)文中特意強調(diào) Majorana 1 的發(fā)布并非炒作的重要原因。
當然，量子計算研究極其復雜，那次撤稿也并未否定 Majorana 量子比特技術(shù)路線的可行性。而相比于 2018 年發(fā)布的那篇論文，七年后的今天，「執(zhí)拗」的微軟或許用 Majorana 1 改寫了那個未完成的故事。
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