微软称量子计算获突破 利用新物态研发芯片

微软称量子计算获突破 利用新物态研发芯片

微软刚刚创造出了一种全新的物质状态，这或将彻底改变量子计算的未来！

还记得初中物理课本上的那三种物质状态吗？

——固态、液态、气态。

但从今天起，教科书可能要改写了！

微软CEO萨提亚·纳德拉（Satya Nadella）刚刚宣布，在经过近20年的追求后，微软成功创造出了一种全新的物质状态，这是通过一类新材料「拓扑导体」（topoconductors）实现的，为计算领域带来了根本性的飞跃。

这项突破成就了Majorana 1，世界上第一个基于拓扑核心的量子处理单元。

量子计算即将改变世界

纳德拉相信，这一突破将使我们能够创建真正有意义的量子计算机，不是在几十年后（如一些人预测的那样），而是在几年内！

使用拓扑导体创建的量子比特更快、更可靠、更小。

它们只有1/100毫米大小，这意味着我们现在有了一条通往百万量子比特处理器的明确路径。

想象一下，一个能放进手掌的芯片，却能解决即使地球上所有计算机加在一起也无法解决的问题！

「有时研究人员需要花费几十年的时间才能取得进展。」纳德拉表示，

「在世界上产生重大影响需要耐心和毅力。我很高兴我们在微软有机会做到这一点。」

一种全新的物质状态：拓扑状态

这种被称为拓扑超导体的新材料，可以创造出一种全新的物质状态——既不是固态、液态也不是气态，而是一种拓扑状态。

这种状态被利用来产生更稳定的量子比特，它速度快、体积小，并且可以数字化控制，没有当前替代方案所需的权衡。

微软技术研究员Chetan Nayak解释说：

「我们退一步说，好吧，让我们为量子时代发明晶体管。它需要具备什么属性？这就是我们如何走到今天的——正是我们新材料堆栈中特定的组合、质量和重要细节，使我们能够创造一种新型的量子比特，最终实现我们的整个架构。」

一百万量子比特的明确路径

微软表示，用于开发Majorana 1 处理器的这种新架构提供了一条清晰的路径，可以在一个能放入手掌的单个芯片上容纳一百万个量子比特。

这是量子计算机提供变革性、实际解决方案所需的阈值。

「无论你在量子领域做什么，都需要有一条通往一百万量子比特的路径。如果没有，你就会在达到能解决真正重要问题的规模之前撞上墙壁，」Nayak说，

「我们实际上已经找到了通往一百万的路径。」

这种拓扑量子比特也比其他量子比特有优势，因为它的尺寸很小。即使对于如此微小的东西，也有一个「金发姑娘」区域——太小的量子比特难以运行控制线，但太大的量子比特需要一台巨大的机器。

微软的量子芯片Majorana 1既包含量子比特又包含周围的控制电子设备，可以放在手掌中，并且可以轻松部署在Azure数据中心内。

「发现一种新的物质状态是一回事，」Nayak说，

「利用它来重新思考大规模量子计算则是另一回事。」

量子比特的「金发姑娘」解决方案

Microsoft 技术研究员Matthias Troyer坦言：

「从一开始，我们就想制造一台有商业影响力的量子计算机，而不仅仅是思想领导力。我们知道我们需要一种新的量子比特。我们知道我们必须扩大规模。」

这种做法使得美国国防高级研究计划局（DARPA）将微软纳入一个严格的项目中，以评估创新的量子计算技术是否可以比传统上认为可能的更快地构建具有商业相关性的量子系统。

微软现在是两家被邀请进入DARPA的「用于规模量子计算的未充分研究系统」（US2QC）项目最后阶段的公司之一。该项目旨在交付业界首台实用规模的容错量子计算机，即其计算价值超过其成本的计算机。

原子层面的量子材料设计

微软的拓扑量子比特架构由连接在一起形成H形的铝纳米线组成。每个H有四个可控制的Majorana粒子，构成一个量子比特。这些H也可以连接，并在芯片上像瓷砖一样排列。

「从某种意义上说，它很复杂，因为我们必须展示一种新的物质状态才能达到目标，但在那之后，它相当简单。它可以平铺。你拥有这种更简单的架构，它承诺了一条更快的规模化路径，」微软技术研究员Krysta Svore表示。

制作拓扑状态物质的材料堆栈是最困难的部分之一。

微软的拓扑导体不是由硅制成的，而是由砷化铟制成，这种材料目前用于红外探测器等应用，具有特殊性质。

「我们是字面意义上的逐原子喷涂。这些材料必须完美对齐。如果材料堆栈中的缺陷太多，就会扼杀你的量子比特，」Svore说。

「讽刺的是，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。有了规模化的量子计算机，我们将能够预测具有更好性质的材料，用于构建下一代超越规模的量子计算机，」她说。