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全译文：
微软Majorana 1芯片为量子计算开辟新路径
微软今天推出了全球首款采用新型拓扑核心架构的量子芯片Majorana 1。该公司预计，这项技术将在未来几年内（而非几十年）实现能够解决有意义工业级问题的量子计算机。
这款芯片利用了全球首创的拓扑导体（topoconductor），这是一种突破性材料，能够观察和控制Majorana粒子，从而生产更可靠、更易扩展的量子比特（qubit），量子计算机的基本构建单元。
微软表示，正如半导体的发明使今天的智能手机、计算机和电子设备成为可能，拓扑导体及其支持的新型芯片为开发量子系统提供了一条发展路径，这些系统可扩展至百万量子比特规模，有能力解决最复杂的工业和社会问题。
微软技术院士Chetan Nayak说："我们退一步思考，说'好，让我们为量子时代发明晶体管。它需要具备什么特性？'这就是我们如何走到今天的原因，正是我们新材料堆栈中特定的组合、质量和重要细节，使我们能够开发出新型量子比特，最终形成了整个架构。"
微软表示，用于开发Majorana 1处理器的新架构，可在一个掌心大小的芯片上集成百万量子比特。这是量子计算机提供变革性实际解决方案所需的门槛，例如将微塑料分解成无害副产品，或发明用于建筑、制造或医疗保健的自修复材料。目前世界上所有计算机加在一起也无法完成一台百万量子比特量子计算机能够完成的工作。
The Majorana 1. Photo by John Brecher for Microsoft.
Nayak说："在量子领域，无论做什么都需要有通向百万量子比特的路径。如果没有，在达到能解决真正重要问题的规模之前就会遇到瓶颈。我们已经找到了通向百万量子比特的路径。"
拓扑导体（或称拓扑超导体）是一种特殊材料类别，能够创造全新的物质状态，不是固态、液态或气态，而是拓扑态。这种状态被用来产生更稳定的量子比特，具有快速、小型和可数字控制的特点，无需当前替代方案所需的权衡。周三发表在《自然》（Nature）杂志上的一篇论文概述了微软研究人员如何创造拓扑量子比特的奇异量子特性并准确测量它们，这是实现实用计算的关键步骤。
Chetan Nayak, Microsoft technical fellow. Photo by John Brecher for Microsoft.
这一突破需要开发一个全新的材料堆栈，由砷化铟和铝组成，其中大部分是微软逐个原子设计和制造的。微软表示，目标是诱导新的量子粒子Majorana出现，并利用其独特性质达到量子计算的新高度。
为Majorana 1提供动力的全球首个拓扑核心在设计上就具有可靠性，在硬件层面融入了抗错误能力，使其更加稳定。
商业上重要的应用还需要在百万量子比特上执行万亿次运算，这对于依赖每个量子比特精细模拟控制的当前方法来说是难以实现的。微软团队的新测量方法实现了量子比特的数字控制，重新定义并大大简化了量子计算的工作方式。
这一进展验证了微软多年前选择追求拓扑量子比特设计的正确性，这是一个高风险、高回报的科学和工程挑战，现在正在获得回报。目前，公司已在一个设计用于扩展到百万量子比特的芯片上放置了八个拓扑量子比特。
Matthias Troyer, Microsoft technical fellow. Photo by John Brecher for Microsoft.
微软技术院士Matthias Troyer说："从一开始我们就想制造一台具有商业影响力的量子计算机，而不仅仅是引领新思想。我们知道需要一种新的量子比特。我们知道必须实现规模化。"
这使的美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA，投资对国家安全重要的突破性技术的联邦机构），将微软纳入一个严格项目，评估创新量子计算技术是否能比传统认知更快地构建具有商业相关性的量子系统。
微软现在是最后两家被邀请进入DARPA"未充分探索的实用规模量子计算系统"（Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing，US2QC）项目的公司，该项目是DARPA更大的量子基准计划的组成部分，旨在交付行业首个实用规模容错量子计算机，即计算价值超过其成本的计算机。
"它直接给出答案"
除了制造自己的量子硬件，微软还与Quantinuum和Atom Computing合作，利用当今的量子比特实现科学和工程突破，包括去年宣布的业界首台可靠量子计算机。
这类机器为发展量子技能、构建混合应用和推动新发现提供了重要机会，特别是当AI与将由更多可靠量子比特驱动的新量子系统结合时。目前，Azure量子计算平台提供一套集成解决方案，允许客户利用Azure中领先的AI、高性能计算和量子平台推进科学发现。
但要达到量子计算的下一个高度，需要一个能提供百万或更多量子比特并实现万亿次快速可靠运算的量子架构。微软表示，今天的公告使这个目标可在几年内而非几十年内实现。
由于量子计算机能够使用量子力学精确地描绘自然界的行为，从化学反应到分子相互作用和酶能量，百万量子比特机器应该能够解决某些化学、材料科学和其他行业中当今经典计算机无法准确计算的问题。
* 例如，它们可以帮助解决材料为何会腐蚀或开裂这一复杂的化学问题。这可能带来能修复桥梁或飞机部件裂缝、破碎手机屏幕或刮伤车门的自修复材料。
* 由于塑料种类繁多，目前无法找到一种通用的催化剂来分解它们，这对清理微塑料或应对碳污染尤为重要。量子计算可以计算此类催化剂的性质，将污染物分解成有价值的副产品，或从一开始就开发无毒替代品。
* 酶（一种生物催化剂）可以在医疗保健和农业中得到更有效的利用，这要归功于只有量子计算才能提供的关于其行为的准确计算。这可能带来帮助消除全球饥饿的突破：提高土壤肥力以增加产量，或促进食物在恶劣气候下的可持续生长。
最重要的是，量子计算可以让工程师、科学家、企业和其他人员首次就能正确设计产品，这将从医疗保健到产品开发等各个领域带来变革。结合AI工具的量子计算能力，将允许人们用普通语言描述他们想要创造的新材料或分子，并立即得到可行的答案，无需猜测或多年的反复试验。
Troyer说："任何制造产品的公司都可以在第一次就完美设计。它会直接给出答案。量子计算机教会AI自然界的语言，这样AI就能告诉你制造所需产品的配方。"
重新思考规模化量子计算
量子世界遵循量子力学定律，这与支配我们所见世界的物理定律不同。这些粒子被称为量子比特（qubits），类似于当今计算机使用的比特（位）或者说1和0。
量子比特非常敏感，极易受到来自环境的扰动和错误影响，这会导致它们崩溃并丢失信息。它们的状态也会受到测量的影响，这是个问题，因为测量对计算来说是必不可少的。一个固有的挑战是开发一种可以被测量和控制的量子比特，同时能够防止破坏它们的环境噪声。
量子比特可以通过不同方式创建，每种方式都有其优缺点。近20年前，微软决定采用一种独特的方法：开发拓扑量子比特，他们认为这将提供更稳定的量子比特，需要更少的错误纠正，从而释放速度、尺寸和可控性优势。这种方法需要攀登陡峭的学习曲线，需要开创性的科学和工程突破，但也是创造可扩展和可控制的量子比特以完成具有商业价值工作的最有希望的路径。
缺点是，或者说曾经是，直到最近，微软寻求使用的奇异粒子（称为Majorana粒子）从未被观察到或制造出来。它们在自然界中不存在，只能通过磁场和超导体诱导产生。开发合适材料来创造这些奇异粒子及其相关的拓扑物质状态的难度，是大多数量子计算努力集中在其他类型量子比特的原因。
《自然》杂志论文标志着同行评议确认微软不仅能够创造Majorana粒子（这种粒子有助于保护量子信息免受随机干扰），还能使用微波可靠地测量这些粒子中的信息。
Majorana粒子隐藏量子信息，使其更加稳健，但也更难测量。微软团队的新测量方法如此精确，可以检测超导线中十亿个电子和十亿零一个电子之间的差异，这告诉计算机量子比特处于什么状态，构成了量子计算的基础。
这些测量可以通过电压脉冲开启和关闭，就像打开电灯开关一样，而不是为每个量子比特微调表盘。这种更简单的测量方法实现了数字控制，简化了量子计算过程和构建可扩展机器的物理要求。
微软的拓扑量子比特相比其他量子比特在尺寸上也具有优势。即使对如此微小的东西来说，也存在一个"适中区域"，Troyer说，太小的量子比特难以连接控制线路，但太大的量子比特需要巨大的机器。为这类量子比特添加个性化控制技术将需要建造一个不切实际的计算机，其大小堪比飞机库或足球场。
Majorana 1是微软的量子芯片，包含量子比特和周围的控制电子设备，可以放在手掌中，能完美地装入可轻松部署在Azure数据中心内的量子计算机中。
Nayak说："发现新的物质状态是一回事，利用它重新思考规模化量子计算则是另一回事。"
逐个原子设计量子材料
微软的拓扑量子比特架构由铝纳米线连接在一起形成H形。每个H形结构有四个可控的Majorana粒子，构成一个量子比特。这些H形结构也可以相互连接，像瓷砖一样铺在芯片上。
微软技术院士Krysta Svore说："这很复杂，因为我们必须展示一种新的物质状态才能达到目标，但之后就相对简单了。它可以平铺展开。你拥有这种更简单的架构，承诺了一条更快的规模化路径。"
她说，量子芯片并非独立运作。它存在于一个生态系统中，包括控制逻辑、将量子比特温度保持在比外太空还要冷的稀释制冷机，以及可以与AI和经典计算机集成的软件栈。所有这些部件都已存在，完全由内部构建或改进。
需要明确的是，继续完善这些过程并使所有元素以加速的规模协同工作还需要更多年的工程工作。但微软表示，许多困难的科学和工程挑战现在已经得到解决。
Svore补充说，让材料堆栈正确以产生拓扑物质状态是最困难的部分之一。微软的拓扑导体不是用硅制成，而是用砷化铟制成，这是一种目前用于红外探测器等应用的特殊性质材料。这种半导体借助极低温度与超导性结合，形成一种混合体。
"我们是逐个原子地进行喷涂。这些材料必须完美对齐。如果材料堆栈中的缺陷太多，就会破坏你的量子比特，"Svore说。
"具有讽刺意味的是，这也是我们需要量子计算机的原因，因为理解这些材料极其困难。有了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的量子计算机，"她说。
译后注：
在微软发布此新闻后，Musk在Nadella 的X下留言，表示会有越来越多的量子计算突破
但也有专家认为，目前尚无任何可用数据表明微软已成功进行其实验。著名理论物理学家John Preskill也表示，该公司还未发布任何性能数据来支持其最新声明。尤其是微软此前（2018年）也曾做出类似的宏大声明，但后来不得不收回。
继续保持关注。
原文作者：Catherine Bolgar
原文发布日期：2025年2月19日
原文网址：https://news.microsoft.com/source/features/ai/microsofts-majorana-1-chip-carves-new-path-for-quantum-computing/?ocid=FY25_soc_omc_br_x_QuantumMajorana
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