利用物质新状态的突破性量子芯片：让我们走上量子霸权的道路

微软（Microsoft）的科学家们发明了一种量子处理器，它利用了一种罕见的物质状态，这种状态在20世纪30年代首次被理论化，为在几年内制造出拥有100万个量子比特的处理器铺平了道路。

微软的科学家们利用一种特殊的材料制造了一种新的量子计算芯片，这种材料能够进入一种新的物质状态。这一突破可能使研究人员能够比专家预测的更快地制造出具有数百万可靠量子位的单个芯片 —— 可能只需要几年而不是几十年。

新的量子处理单元（QPU）被称为“马约拉纳1号（Majorana 1）”，是一个8量子位的原型芯片，由世界上第一种此类材料 —— 拓扑导体（topoconductor）建造而成。这可以达到物质的“拓扑”状态，并在适当的条件下利用量子力学定律，以便在量子计算机中处理1和0的计算数据。

这种新型量子比特被称为“拓扑量子比特（topological qubit）”，它比超导金属制成的量子比特更稳定、更小、耗电更少，而且更具可扩展性。超导金属是谷歌、IBM和微软等公司制造的量子计算机中最常用的量子比特类型。

“我们退一步说，‘好吧，让我们为量子时代发明晶体管吧。它需要有什么属性？’”微软技术研究员、加州大学圣巴巴拉分校物理学教授切坦·纳亚克在一份声明中说。“这就是我们如何走到这一步的 —— 正是我们新材料堆栈中的特殊组合、质量和重要细节，使一种新型量子比特成为可能，并最终成为我们的整个架构。”

在研究人员首次使用该结构明确地观察和控制一种具有特殊性质的神秘亚原子粒子（称为“马约拉纳费米子”或“马约拉纳零模式”（MZM））之后，这种QPU的制造才成为可能，这种粒子被数学家埃托雷·马约拉纳于1937年理论化。

科学家们此前曾试图制造马约拉纳费米子，用于一种新型量子计算。对马约拉纳费米子及其在量子计算机中的应用的探索跨越了多年，包括2012年和2024年4月对该粒子的发现。2023年6月，科学家还发表了一项研究，报告发现了物质的拓扑状态。

马约拉纳的理论提出，一个粒子可以是它自己的反粒子。这意味着理论上可以把两个这样的粒子结合在一起，它们要么在巨大的能量释放中相互湮灭（这是正常的），要么在配对时稳定共存 —— 为它们存储量子信息提供了条件。

这些亚原子粒子在自然界中是不存在的，所以为了使它们成为现实，微软的科学家们必须在材料科学、制造方法和测量技术方面取得一系列突破。他们在2月19日发表在《自然》杂志上的一项新研究中概述了这些发现 —— 这是一个长达17年的项目的高潮。

这是一个“量子时代的晶体管”

这些发现中最主要的是创造了这种特殊的拓扑导体，它被用作量子比特的基础。科学家们将砷化铟（通常用于夜视镜等设备）制成的半导体与铝超导体结合在一起，用材料堆构建了拓扑导体。

研究人员需要这些成分的正确组合，来触发所需的过渡到新的物质拓扑状态。他们还需要创造非常特殊的条件来实现这一目标 —— 即接近绝对零度的温度和暴露在磁场中的条件。只有这样，他们才能使MZM出现。

为了构建一个小于10微米的量子位 —— 比超导量子位小得多 —— 科学家们将一组纳米线排列成H形，其中两根较长的拓扑导电线在中心由一根超导线连接。接下来，他们通过冷却结构并用磁场调节结构，在H的所有四个点上诱导出四个MZMs。最后，为了测量设备何时可以运行的信号，他们将H与半导体量子点连接起来 —— 相当于一个携带电荷的小电容器。

拓扑导体与超导体的不同之处在于，当负载一个不成对的电子时，它们的行为方式不同。在超导体中，电子通常与奇数电子（任何未配对的电子）配对，需要大量的能量来容纳，或者进入激发态。基态和激发态之间的能量差异是超导量子比特中1和0数据的基础。

像超导体一样，拓扑导体使用未配对电子的存在或不存在作为计算数据的1和0，但这种材料可以通过在成对电子之间共享它们的存在来“隐藏”未配对电子。这意味着当未配对电子加入系统时，没有可测量的能量差异，使量子比特在硬件层面更稳定，并保护量子信息。然而，这也意味着更难测量量子位的量子态。

这就是量子点的用武之地。科学家们将一个电子从量子点发射到导线的一端，通过MZM，然后从另一端通过另一个MZM出现。在此过程中，通过用微波轰击量子点，返回的反射带着纳米线量子态的印记。

科学家在研究中表示，这种测量的准确度约为99%，并指出电磁辐射是平均每毫秒触发一次误差的外部因素之一。科学家们说，这种情况很少见，这表明新型处理器的固有屏蔽能有效地阻挡辐射。

通往一百万个量子比特的道路

“这很复杂，因为我们必须展示一种新的物质状态才能到达那里，但在那之后，它就相当简单了。”它被铺平了。微软首席研究经理克里斯塔·斯沃（Krysta Svore）在声明中说：“你有了这个更简单的架构，就有了更快的扩展路径。”

克里斯塔·斯沃补充说，这种新的量子比特架构，被称为“拓扑核心”，代表了创造可行的100万量子比特量子计算机的第一步 —— 将其创造比作20世纪从使用真空管到晶体管建造计算机的转变。

科学家们在研究中说，这要归功于量子比特的尺寸更小，质量更高，而且由于量子比特像瓷砖一样组合在一起，它们可以很容易地扩展。

在接下来的几年里，科学家们计划制造一个拥有一百万个物理量子比特的芯片，这反过来将在医学、材料科学和我们对自然的理解等领域带来有用的科学突破，而这些突破是使用最快的超级计算机无法实现的。

然而，量子芯片并不是孤立地工作的。相反，它存在于一个生态系统中，与稀释致冷机一起实现极低的温度，管理控制逻辑的系统，以及可以与传统计算机和人工智能（AI）集成的软件。科学家们表示，优化这些系统，使其能够在更大的范围内工作，将需要数年的进一步研究。但随着进一步的突破，这个时间表可能会加快。

“这些材料必须完美地排列在一起。如果材料堆栈中有太多缺陷，它只会杀死你的量子位，”斯沃在声明中说。“具有讽刺意味的是，这也是我们需要量子计算机的原因 —— 因为理解这些材料非常困难。有了一个规模化的量子计算机，我们将能够预测具有更好性能的材料，用于构建下一代超越规模化的量子计算机。”

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