译自：Microsoft Makes Quantum Computing Breakthrough With New Chip 作者：Mary Branscombe
微软在拓扑量子比特及其自主研发的量子芯片Majorana 1方面的突破，可能超越谷歌的蛮力方法。
微软的新型物质状态有望通过百万量子比特实现真正的量子计算——也许在2033年之前。该公司还宣布了其自主研发的量子芯片Majorana 1，其外形尺寸可扩展至百万量子比特量子处理单元，可连接到稀释制冷机并插入Azure数据中心。
量子计算的承诺在于能够准确地模拟物理定律和自然界的系统。它可以彻底改变医学和材料科学。甚至在我们开始设计和模拟新型材料、设计分解微塑料的酶或创造更有效、污染更少的肥料之前，我们就可以通过模拟广泛使用的材料（从磁铁到超导体）来取得电池和电力分配方面的突破——我们对这些材料的了解还不够充分，无法像在物理实验室进行实验那样高效、准确地使用它们。
微软采取了与大多数竞争对手截然不同的方法，依赖于它必须证明其存在（更不用说可以控制）的奇异粒子。
将量子计算从当今已有的小型实验系统扩展到值得称名的系统，需要可靠的量子比特——不需要太多纠错的量子比特，这样就不需要数百个物理量子比特来创建一个可以执行计算并产生可读结果且易于控制的逻辑稳定量子比特。
运行有用的、真实的量子计算应用程序将涉及大量的计算，这意味着在一个百万量子比特的系统上执行数万亿次运算。当今可用的量子计算硬件需要大量的纠错，并且必须使用精确成形的控制脉冲对每个单独的量子比特进行单独的微调模拟控制，以运行系统和纠正错误（任何偏差都会引入更多错误），这很难可靠地扩展到如此大量的量子比特。
微软远不是唯一一家从事量子计算的公司，但它采取了与大多数竞争对手截然不同的方法，依赖于它必须证明其存在（更不用说可以控制）的奇异粒子。
Microsoft’s Majorana 1 quantum chip.
在20世纪90年代后期聘请屡获殊荣的数学家和物理学家，并在世界各地资助多个实验物理实验室以寻找他们认为可以为可靠的量子计算机提供动力的粒子之后，微软说服了Cray的联合创始人Burton Smith和奔腾架构师Doug Carmean等领先的处理器架构师加入其Station Q实验室。微软的量子团队在过去二十年中一直在研究如何利用这些虚构粒子来构建更小、更稳定、更省电的拓扑量子比特。它们也需要更少的纠错，据说更容易控制，因此您可以将足够多的拓扑量子比特构建到量子计算机中以使其发挥作用。
微软寄予厚望的Majorana粒子——隐藏量子信息，保护它免受随机干扰，但也使其更难以测量——是如此奇特，尽管它们在1937年就被预测出来（以杰出的但隐居的物理学家命名），直到最近，它们从未被可靠地探测到。它们是最简单的一种不同类型的物质，称为非阿贝尔任意子：之所以这样命名，是因为它们似乎能够做到几乎任何事情，包括共享它们是否曾经与另一个任意子交叉的“记忆”，这种记忆可以用来存储和操纵信息。
将两个任意子放在一起，它们可能会相互湮灭并坍缩成真空——或者它们可能会变成电子。这种叠加（同时存在于多种状态中，因为您不知道会发生哪个结果）是量子计算机能够同时探索大量解决方案的方式。
通过彼此移动来交换两个任意子的位置，它们会切换它们的量子态；将它们放在一起，它们的量子态显示它们是否曾经交叉的方式充当您可以读取的内存。
微软宣布了Majorana 1量子芯片，最初配备8个拓扑量子比特和与其交互的连接器。
移动Majorana粒子对的轨迹被称为编织（编织的不同扭曲和转弯是其拓扑结构）。这阻止了在计算完成之前读取信息；因为在它们移动时，信息存储在所有Majorana粒子中，而不是存储在一个容易（或意外地）读取的单个位置——这会导致量子态在你想要之前退相干。这意味着拓扑量子比特应该比替代方案更不容易出错且更稳定。
但是Majorana粒子——以及它们代表的这种新的拓扑物质状态——并非自然存在。它们是由电子构成的，必须在非常低的温度下使用磁场和超导材料来创造。现在微软在《自然》杂志上发表了同行评审的结果，证明研究人员确实正在观察和控制创建拓扑量子比特（而不是更普通的、无法提供可靠量子比特的量子态，而这种可靠量子比特可以扩展到实际量子计算所需的巨大数量）所需的奇异量子特性。
微软还宣布了其自己的量子芯片，即Majorana 1 号。它最初将拥有八个拓扑量子比特以及与其交互的连接器，但其外形尺寸可以扩展到百万量子比特的量子处理单元。它将准备好连接到稀释制冷机并插入 Azure 数据中心。
微软的Majorana 1 号芯片将八个微型量子比特放入一个你可以拿在手中的处理器中，但它需要连接到一个非常大的制冷装置。
解释量子现象通常听起来几乎像诗歌：2019 年，Dr. Kyrsta Svore，微软研究院量子架构组负责人，将拓扑量子比特描述得更像印加人的结绳记事而不是写在岩石上的粉笔标记，后者会在雨中消失：即使在暴风雨中，绳索上的结也不会解开。“我们的计算是时空中的编织，”她说。
2016 年，Peter Lee，微软研究院负责人，将更常见的超导量子比特比作在体育馆里摆放数千个陀螺，所有陀螺同时旋转，一些朝一个方向旋转，另一些朝另一个方向旋转。“对于超导量子比特，我们拥有进行这项工作的工程知识。”
通过超导体导电的电子成对出现：它们变成称为库珀对的准粒子，两个电子像单个粒子一样作用并共享相同的量子态。这就是使材料成为超导体的因素，因为成对的电子无阻力地移动。如果电子的数量是奇数，其中一个电子将不会成对，因此它需要更多的能量才能移动。具有奇数和偶数电子数量之间的能量差是可以测量并用于表示 0 和 1（或基态和激发态）的东西。
拓扑超导体——微软称之为拓扑导体——具有与普通超导体相同的特性。
问题是旋转的陀螺并不稳定，超导量子比特也不稳定。它们很快就会退相干，并且非常容易受到环境干扰（如热量、杂散亚原子粒子或磁场）的影响，这些干扰会破坏库珀对并使电子的量子态坍缩，从而导致错误。
拓扑超导体——微软称之为拓扑导体，它是通过结合半导体砷化铟和铝制成的——具有与普通超导体相同的特性。但它们也使用编织“隐藏”未配对的电子：这意味着它不太可能受到任何干扰的影响，使量子比特本身更稳定，但也更难读取。
通常，设计量子比特是权衡取舍的问题：使量子比特更稳定、错误率更低通常意味着使它更大、更慢或更难控制。微软的拓扑量子比特非常稳健，但它们也很小且速度很快——并且团队制定了一种技术，使它们更容易控制和读取。
有关拓扑量子比特的信息;通过 Microsoft。
每个拓扑量子比特都是一个 H 形状，它是通过用较短的超导纳米线（仅一微米长）连接两个较长的拓扑纳米线的中间部分而形成的。微软称之为四元体，因为有四个可控的Majorana粒子（一个位于拓扑线的任一端——因此它们不太可能都受到相同的干扰）。
拓扑纳米线的每一端都连接着一个量子点——一个微小的电容器，它可以容纳的电荷小到单个电子。这种连接增加了量子点可以容纳的电荷量，而这取决于纳米线中电子的数量是奇数还是偶数。量子点会以不同的方式反射微波，这取决于它可以存储多少电荷——这使得读取纳米线的量子态变得容易。
“我们的计算是时空中的编织。”
– Kyrsta Svore博士，微软研究院量子架构组负责人
将电荷从量子点沿纳米线发送，它会从一个Majorana费米子进入，并从另一端的Majorana费米子出来，交换它们的位置，并观察两者以通过有效地计算导线中的电子数量来获取信息。你甚至可以同时测量多根导线——测量具有与物理移动Majorana费米子相同的编织效应。
测量既快速又准确：精确到足以检测超导线中是否包含十亿个电子或十亿零一个电子。知道这个数字是偶数还是奇数告诉计算机量子比特处于什么状态（就像经典计算中使用的二进制中的 0 或 1 一样），以便你可以将其用于量子计算。从量子点反射微波会产生清晰的信号，噪声极小，你可以确定测量的正确性。
读取量子信息;通过 Microsoft。
微软开发用于进行这些测量的系统也是其控制量子比特的方式。断开一个量子点并将不同的量子点连接到两根纳米线会使Majorana费米子聚集在一起，从而产生叠加。它仍然使用电压脉冲，就像传统的量子比特一样，但它不需要这些控制脉冲具有如此精确的形状和时间——它们只需要将量子比特带到接近测量最佳点的某个位置，因此控制系统更加稳健。
一个简单的数字脉冲将量子点与纳米线连接和断开，就像按下或关闭电灯开关而不是将旋钮旋转到特定位置一样。无论你缓慢轻柔地敲击电灯开关，还是快速用力地敲击，只要你将其移动到正确的位置，都没关系。这也意味着控制系统更容易设计且成本更低，因为它不需要那么精确。
H 形状也使这些量子比特更容易互连：H 的末端可以相互连接以创建一个具有许多量子比特的芯片。使量子比特更稳定的一种方法是使它们更大；对于拓扑量子比特，你无需做出这种权衡。这些只有三乘五微米（比许多其他量子比特小得多），因此单个晶圆上可以容纳数百万个这样的量子比特。一块手表大小（或者说，经典的奔腾）的芯片将能够容纳一百万个量子比特——但你不会将它们放入笔记本电脑中。
云计算与量子计算显然是匹配的。这不仅仅是成本问题——很少有组织拥有安装量子硬件所需的专业基础设施的资源，首先需要一个沉重的混凝土底座来保证稳定性，还需要稀释制冷机来提供低于 1 开尔文（约 -272°C 或 -457°F，比外太空还要冷得多）的温度。量子硬件需要极低的温度，这既是为了量子比特中使用的超导材料（正是超导体使量子效应足够强大，可以被观察并用于计算），也是为了降低量子比特对其环境的敏感性。保持极低的温度有助于保持它们的量子态足够长的时间来进行复杂的计算而不会退相干。
随着量子计算机变得越来越强大，你将能够混合经典计算和量子计算。
除了非常稳定和寒冷的环境外，你还需要具有 100Tbps 连接的千万亿次级经典计算能力，以便在每个周期读取量子计算机的信息。随着量子计算机变得越来越强大，你将能够混合经典计算和量子计算，使用经典计算机不仅是在作业之间或甚至实时地准备数据和处理来自量子计算机的输出，而且用于混合量子计算，其中一些算法在经典代码中运行（并且可以比仅用于发送和接收数据的循环更复杂），而量子系统则处理优化和模拟问题。
虽然微软一直在开发自己的量子计算硬件，但它也一直在构建量子计算堆栈，其 Q# 开发语言和量子算法可以在 Azure 上提供的来自 IonQ、Pasqal、Quantinuum、QCI 和 Rigetti 的量子硬件上运行——但到目前为止，最强大的系统仍然在 20-30 量子比特的范围内。
利用Atom Computing的中性原子系统（该系统冷却、排列和激发碱金属原子，如铷，使其相互作用，然后拍摄其荧光强度以获得计算结果），微软创建并纠缠了来自112个物理量子比特的24个逻辑量子比特。它还利用Quantinuum的H2量子计算机（也可通过Azure Quantum访问）中32个离子阱量子比特中的30个，制造了四个逻辑量子比特（其描述为“高度可靠”），这些量子比特由激光控制。
一个容错量子计算机原型将在“数年而非数十年内”可用。
——微软量子硬件副总裁 Chetan Nayak
2003年，哈佛大学的研究人员利用H2的27个量子比特，在量子比特内部创建并编织了三对非阿贝尔任意子。这是对潜在物理学的更多证明，但研究人员必须经历多个选择性测量的阶段，这些测量旨在故意使量子态退相干以创建物质的拓扑相（可以将其视为虚拟量子比特），而微软的量子比特将直接创建Majorana费米子——然后将其用于计算。
微软量子硬件副总裁Chetan Nayak承诺，一个容错量子计算机原型将在“数年，而非数十年内”可用。
拓扑量子比特的潜力是DARPA本月早些时候宣布微软成为首批两家受邀加入其严格项目的公司之一的原因，该项目旨在调查到2033年是否能够构建一台有用的量子计算机——其计算价值超过其构建和运行成本——使用该机构所谓的未充分探索的系统。（另一家公司PsiQuantum正在采用其自身完全不同的方法，使用基于硅的光子学，激光连接量子比特。）
这与谷歌首席执行官Sundar Pichai最近预测的5-10年时间表相似，直到我们获得“实际上有用的”量子计算。2024年底，谷歌展示了量子纠错(QEC)，该纠错在使用更多物理量子比特时会变得更好而不是更差，从而在其Willow芯片（拥有105个物理量子比特，但只有49个逻辑量子比特）上创建逻辑量子比特。
与微软使用拓扑空间的拓扑量子比特不同，谷歌使用的是更传统的超导量子比特。
与微软使用拓扑空间来长时间保护量子态中的信息免受外部干扰的拓扑量子比特不同，谷歌使用的是一系列更传统的超导量子比特。谷歌利用库珀电子对在约瑟夫森结（两个彼此靠近但之间有薄绝缘层的超导体）上的振荡。
谷歌的一些量子比特存储计算数据。但由于超导量子比特非常容易出错，因此它们周围和之间环绕着其他量子比特，这些量子比特仅用于测量数据量子比特以查看是否存在错误。谷歌的量子芯片花费大量时间运行复杂的量子纠错(QEC)技术（称为表面码）以保持数据量子比特中的正确量子态。
谷歌正在使用一种已被广泛使用和研究的量子比特设计。它功能强大——2022年，与谷歌合作的研究人员实际上使用量子比特中的缺陷模拟了拓扑编织的一个极其简单的例子——但它依赖于其在软件方面的专业知识来弥补该设计的固有问题。
微软采取了一种风险更大的方法，该方法具有重大的理论优势。
通过花费20年时间研究拓扑量子比特，微软采取了一种风险更大的方法，该方法具有重大的理论优势，但在开始时完全未经证实。此外，除了开发构建其量子比特所需的制造和测量技术外，还需要与大学研究部门一起进行一些基础物理工作，并且（与谷歌一样）创建实验室和设施来构建其量子比特。
2018年，由于一篇基于对不完整数据过于乐观解读的研究论文不得不撤稿后，微软在宣布其拓扑量子比特的进展方面一直极其谨慎，与外部研究人员和独立专家合作，反复检查其进展。现在，它已经不仅仅是构建了第一个拓扑量子比特，而且还进行了测量，展示了它们的特性——以及微软如何利用它们来大规模交付量子计算。
最初，Majorana 1 QPU中只有八个物理量子比特，微软可以以不同的方式分配它们来获得所需的逻辑量子比特数。称其为QPU是为了提醒人们，未来可能会有许多不同类型的量子计算机，研究人员会选择适合自己的那种——就像为特定工作负载选择不同的GPU一样。
首先，微软将使用Majorana 1上的两个量子比特来展示它可以实现其量子路线图中承诺的纠缠和编织。然后，它将使用所有八个量子比特作为两个具有量子纠错的逻辑量子比特（尽管使用与谷歌截然不同的算法，它声称这些算法效率高十倍，运行速度更快，需要的物理量子比特更少）。
第一个拓扑量子比特可能更像真空管而不是晶体管……还有很多工作要做。
这并不是说微软的拓扑量子比特不需要任何纠错；尽管由于量子态是“隐藏”的并因此受到保护，错误发生得要少得多，但它们仍然可能发生。一方面，拥有QEC是一种重用在计算过程中部分交付结果的量子比特的方法；你只需重置它们以用于另一个计算，这意味着你不需要那么多总量子比特。但是由于四元子的构建方式，它们不需要额外的电路或备用量子比特来进行纠错：它们将只使用相同的量子点控制和测量系统来应用量子纠错或量子比特重置——这是设计的另一个重大简化。
Nayak将第一个拓扑量子比特描述为一个转折点：“这绝不是旅程的终点，而是在真正开辟一个新的视野。”
由于创建拓扑量子比特和为其供电的拓扑导体所需的材料处理精度（它们是在真空中以原子精度组装的），团队花费了大量时间构建拓扑导体材料的模拟；如果使用量子计算机，这将容易得多。
在构建量子系统方面，第一个拓扑量子比特可能更像真空管而不是晶体管（更不用说集成电路了）：还有很多工作要做。但与我们可能在量子计算中看到的其他所有潜在突破一样，设计新材料或至少更容易处理构建更强大的量子计算机所需的材料将会更容易。