當(dāng)?shù)貢r間2月19日，微軟正式發(fā)布了旗下首款量子計算芯片“Majorana 1”，這也是全球首款拓?fù)淞孔颖忍仳?qū)動的量子處理器。“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個拓?fù)淞孔颖忍兀瑯?biāo)志著向?qū)嵱昧孔佑嬎氵~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(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。這一進步源于微軟在設(shè)計和制造柵極定義設(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)冷卻到接近絕對零度并用磁場調(diào)節(jié)時，這些設(shè)備會形成拓?fù)涑瑢?dǎo)納米線，導(dǎo)線末端具有馬約拉納零模式 (MZM)。
近一個世紀(jì)以來，這些準(zhǔn)粒子只存在于教科書中。現(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“奇偶校驗”存儲量子信息——導(dǎo)線包含偶數(shù)還是奇數(shù)個電子。在傳統(tǒng)超導(dǎo)體中，電子結(jié)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?fù)鋵?dǎo)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(huán)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?fù)鋵?dǎo)體成為量子比特的理想候選者，但它也帶來了一個挑戰(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 個電子和 1,000,000,001 個電子？
微軟對這一測量挑戰(zhàn)的解決方案如下（另見圖 1）：
微軟使用數(shù)字開關(guān)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(dǎo)體器件。
這種連接提高了點保持電荷的能力。至關(guān)重要的是，確切的增加取決于納米線的奇偶校驗。
△圖 1：讀取我們的拓?fù)淞孔颖忍氐臓顟B(tài)。
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(tài)的印記返回。
微軟設(shè)計的設(shè)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(xiàn)在已經(jīng)確定了明顯的途徑來顯著降低這一誤差。
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）可以破壞庫珀對，產(chǎn)生不成對的電子，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，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(shè)計一種專門用于實現(xiàn)量子計算的新物質(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)進行量子計算。
通過數(shù)字精度徹底改變量子控制
這種讀出技術(shù)實現(xiàn)了從根本上不同的量子計算方法，其中使用測量來執(zhí)行計算。
傳統(tǒng)量子計算以精確的角度旋轉(zhuǎn)量子態(tài)，需要為每個量子位定制復(fù)雜的模擬控制信號。這使量子糾錯 (QEC) 變得復(fù)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(shù)字脈沖激活的測量來執(zhí)行誤差校正。這種數(shù)字控制使得管理實際應(yīng)用所需的大量量子比特變得切實可行。
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并通過測量處理的量子信息——微軟已準(zhǔn)備好從物理突破轉(zhuǎn)向?qū)嶋H實施。
下一步是圍繞單量子比特設(shè)備（稱為 Tetron）構(gòu)建可擴展架構(gòu)（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(shù)據(jù)。一項基本操作（測量 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：使用四元組實現(xiàn)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(shè)備。四元組由兩條平行拓?fù)渚€（藍色）組成，兩端各有一個 MZM（橙色點），由垂直平凡超導(dǎo)導(dǎo)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(shè)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(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）。
另一個關(guān)鍵操作是將量子比特置于奇偶校驗態(tài)的疊加中。這也是通過對量子點進行微波反射測量來實現(xiàn)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(shè)備一端的兩條納米線上。通過執(zhí)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(guān)鍵里程碑。
微軟的路線圖現(xiàn)在系統(tǒng)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(xiàn)量子誤差檢測。
拓?fù)淞孔颖忍氐膬?nèi)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(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鐘速度運行。
DARPA 的認(rèn)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(yán)格基準(zhǔn)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(fā)系統(tǒng) (US2QC)，是 DARPA 大型量子基準(zhǔn)測試計劃 (QBI) 的組成部分之一。微軟認(rèn)為這一認(rèn)可是對其構(gòu)建具有拓?fù)淞孔游蝗蒎e量子計算機路線圖的認(rèn)可。
DARPA 的 US2QC 計劃及其更廣泛的量子基準(zhǔn)測試計劃代表了一種嚴(yán)格的方法來評估量子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以解決超出傳統(tǒng)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(xué)應(yīng)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(yīng)用程序。展望未來，規(guī)模更大的量子基準(zhǔn)測試計劃預(yù)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(nèi)構(gòu)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(gòu)設(shè)計和工程計劃。經(jīng)過仔細分析，DARPA 和微軟簽署了一項協(xié)議，開始該項目的最后階段。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原型，這是邁向?qū)嵱眉壛孔佑嬎愕年P(guān)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(fā)展路線圖。今天，我們實現(xiàn)了第二個里程碑，展示了世界上第一個拓?fù)淞孔颖忍亍Ｎ覀円呀?jīng)在一塊設(shè)計為容納100萬個量子比特的芯片上放置了八個拓?fù)淞孔颖忍亍！?/p>
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(dāng)今最強大的超級計算機也無法準(zhǔn)確預(yù)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(guī)模的量子計算可以帶來創(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)。今天需要耗費數(shù)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(chǔ)技術(shù)已經(jīng)得到驗證，我們相信我們的架構(gòu)是可擴展的。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：建造一臺能夠推動科學(xué)發(fā)現(xiàn)并解決重要問題的機器。”微軟在其博客上寫道。
