微软全球首款拓扑量子芯片Majorana 1的发布标志着量子计算领域出现又一个重大突破。
当前，全球各国在量子计算领域的竞争日益激烈，这一领域被视为未来科技发展的关键制高点之一。
尽管量子计算机的实现仍面临诸多技术挑战，如量子比特的相干性、错误校正和扩展性等问题，但该技术在加密算法、分子模拟、人工智能、天气预报、航空航天、国防安全以及科学研究等具有巨大的潜力。这使得各国科技巨头和科研机构均角逐这一极具前景性的技术。
当地时间2月19日，微软公司历时近20年研发，发布了全球首款拓扑量子芯片Majorana 1，计划在2030年之前上市。微软表示，就像半导体的发明使得当今的智能手机、电脑和电子产品成为可能一样，拓扑导体及其新型芯片为开发可扩展到百万量子比特的量子系统提供了一条途径，能够解决最复杂的工业和社会问题。
全球首款拓扑量子芯片Majorana 1 图源：微软
对于这一量子芯片，微软董事长兼CEO萨蒂亚·纳德拉认为：“这一突破将使我们在几年内，而不像一些人预测的那样用几十年，创造出一台真正有意义的量子计算机。”
此前，有权威专家预测，未来10-15年，数百万量子位相干的操纵的量子芯片将被研发出来，将为通用的量子计算奠定基础。然而，微软、谷歌等科技巨头基于当前的研究成果认为，这一技术的实现时间将被进一步提前，或未来数年内研发出大规模量子计算机，引发新一轮科技革命。
堪比“人类智慧的巅峰挑战”
目前，量子计算机的研发面临诸多技术和工程上的挑战。其中，量子计算机的核心是量子比特（qubits），但量子比特非常脆弱，容易受到外部干扰，如热噪声、电磁干扰和振动等，导致退相干现象。这种退相干会破坏量子态的叠加和纠缠，从而影响计算结果的准确性。
同时，量子计算机的错误率目前仍然是一个重大障碍。量子比特的操控保真度通常低于99%，这使得容错编码变得非常困难。为了实现商业可行性，需要大幅降低错误率，特别是在大规模量子计算机中。
其次，量子计算机通常需要在接近绝对零度（-273.15°C/0 K）的温度下运行，以减少热噪声并增强量子相干性。这需要复杂的冷却技术，增加了系统的复杂性和成本。
此外，量子纠错是解决错误率问题的关键技术，但目前仍处于探索阶段。而且，量子计算机的硬件制造非常复杂，需要高精度的设备和材料。
当然，量子比特的可扩展性、算法开发、环境干扰、人才短缺和技术路线多样化等也是需要解决的难题。
中国科学院院士薛其坤也曾表示，尽管量子计算正处于快速发展之中，但实现通用量子计算机过程中面临的五大核心挑战，包括错误率、相干时间、制冷设备、硬件方案和量子特性的不确定性。而突破这些难关，需要通过跨学科的合作和持续的技术创新来逐步实现。因此，实现通用量子计算的过程被人喻为人类首次登月一般艰巨，将是人类智慧的巅峰挑战。
据悉，2005年，微软启动量子计算研究，组建Station Q实验室，联合菲尔兹奖得主Michael Freedman和拓扑量子理论先驱Alexei Kitaev。2018年，微软首次实验验证Majorana费米子的存在，为拓扑量子比特奠定物理基础。
目前，微软是受邀进入美国国防高级研究计划局（DARPA）实用规模量子计算未充分探索系统 (US2QC) 项目最后阶段的两家公司之一。US2QC项目是DARPA更大规模的量子基准测试计划的组成部分之一，旨在打造业界首台实用规模容错量子计算机，即计算价值超过其成本的量子计算机。
此前，微软将量子计算分为基础、弹性和规模三个阶段。其中，在基础阶段，微软通过Azure Quantum将量子计算机引入云端。在弹性阶段，微软从物理量子比特过渡到逻辑量子比特，提高稳定性。在规模阶段，微软设计了一台可编程的量子超级计算机，拥有至少100万个每秒可靠的量子操作数。
2024年，微软与Quantinuum合作实现12个逻辑量子比特，错误率降低800倍，标志进入弹性量子计算阶段。而微软全球首款拓扑量子芯片Majorana 1的发布标志着量子计算领域出现又一个重大突破。
据悉，这一突破需要开发一种由砷化铟和铝制成的全新材料堆栈，其中大部分都是微软逐个原子设计和制造的。微软表示，目标是诱导出名为马约拉纳粒子的新量子粒子，并利用其独特性质进入量子计算的下一个领域。
全球首款拓扑量子芯片推进商业化应用
拓扑导体，又称拓扑超导体，是一种特殊的材料，可以创造一种全新的物质状态——不是固体、液体或气体，而是拓扑状态。利用这种状态可以产生更稳定的量子比特，这种量子比特速度快、体积小，并且可以数字控制，而无需像目前的替代方案那样进行权衡。
据悉，微软的Majorana 1芯片通过拓扑量子架构解决了稳定性与可扩展性难题，或可将量子计算机商业化时间表缩短至5-10年。
据介绍，Majorana 1芯片的技术创新在于，采用了全球首个拓扑导体材料，这种材料能够观察和控制马约拉纳粒子（Majorana fermions）。而马约拉纳粒子是一种特殊的准粒子，具有自反粒子性质，能够在特定条件下稳定存在，不易受到环境噪声的影响。
同时，拓扑量子比特通过拓扑保护机制，能够减少量子纠错的需求，从而提高量子计算的稳定性和可靠性。这种保护机制使得量子比特在接近绝对零度的条件下仍能保持稳定运行。
不过，微软表示，开发合适的材料来构建量子比特，并理解量子比特相关的物质拓扑状态的难度极大。这也是大多数量子研究都集中在其他类型量子比特的原因。微软执行副总裁Jason Zander介绍，“最难的部分是解决物理问题。这方面没有教科书，我们必须自己发明，通过一个一个原子、一层一层地构建。”
尽管Majorana 1芯片仅集成了8个量子比特，远少于谷歌和IBM构建的量子芯片，比如谷歌Willow芯片拥有105个物理量子比特，但微软表示，它可以通过构建更少的量子比特数实现更强的量子纠错能力。
目前，Majorana 1芯片仅限于解决数学问题，但微软表示，通过这个“全球首款拓扑架构量子芯片”，开发出能解决“有意义工业规模问题”的量子计算机，将是未来几年就能实现的事情。
按照规划，若其技术路线成功，微软计划未来扩展到100万个量子比特，预计在2030年代初期渗透至材料科学、AI加速和密码学等领域，为大规模量子计算奠定了基础。
中国科学院院士潘建伟也表示，“如果能够实现，而且有非常扎实的技术基础，拓扑量子比特将会让量子计算变得更加容易。”他还指出，新的2D材料在拓扑结构上的应用将会有很大的潜力，因为典型的传统材料在拓扑领域有一定的局限，有时会带来一些错误的结果。
量子计算领域竞争日益激烈
当前，全球各国在量子计算领域的竞争日益激烈，各国政府和企业纷纷加大投入，推动量子计算技术的发展。美国和中国在这一领域的竞争尤为激烈，但其他国家或地区如欧盟、日本、印度等也在积极追赶。
其中，美国在量子计算领域处于领先地位，政府和企业投入巨大。美国早在2018年就通过了《国家量子倡议法案》，推动量子计算的发展，并计划在未来十年内投入100亿美元用于量子信息科学的研究和开发。2024年12月，美国参议院又修订发布了《国家量子倡议重新授权法案》，加大对美国量子技术发展的支持力度。此外，美国的科技巨头如IBM、谷歌、微软和英特尔等也在积极研发量子计算机，这些公司在超导量子比特、离子阱量子比特和光量子计算等多个领域保持领先地位。
而中国则通过“十四五”规划和相关政策支持量子信息产业的发展，在量子计算硬件技术方面取得了多项突破。2023年10月，中国成功构建了“九章三号”量子计算原型机，拥有255个光子，处理速度比全球最快的超级计算机快一亿亿倍。2024年4月，中国科学院量子信息与量子科技创新研究院交付了一款504比特超导量子计算芯片“骁鸿”，刷新了国内超导量子比特数量的纪录。2024年12月，潘建伟院士团队在arXiv平台上发布研制的具备105个量子比特的超导量子计算机“祖冲之三号”。实验数据显示，“祖冲之三号”的性能优于谷歌“悬铃木”，各项性能指标也与谷歌最新发布的Willow达到同一量级。
同时，中国量子计算的应用场景广泛，包括密码学、人工智能、化学模拟、优化问题等。比如，从2024年1月6日至今，“本源悟空”第三代自主超导量子计算机已为全球139个国家和地区提供超过32万个量子计算任务。
欧盟自2018年起启动了价值10亿欧元的量子技术旗舰计划（Quantum Flagship），旨在推动量子计算、量子模拟、量子通信和量子传感等领域的研究与应用。该计划得到了欧盟委员会的持续支持，并在2024年发布了新版量子旗舰计划《战略研究和产业议程》，提出了短期（2027年）和中期（2030年）的发展目标。尽管欧洲在资金投入上不及美国和中国，但其在学术研究和技术创新方面具有明显优势。欧洲预计到2030-2035年，通用量子优势机器将问世，这将使量子计算在多个领域实现突破性应用。
日本在量子计算领域也有显著进展，制定了量子计算发展战略，并在量子纠缠和量子隐形传态等研究方面取得了重要成果。日本还计划到2025年将量子应用供应商数量增加至120家。
此外，其他国家或地区如加拿大、澳大利亚、俄罗斯、伊朗、巴西和南非等也在积极发展量子计算技术。这些国家或地区通过政府资助或与国际组织合作，推动量子计算的研究和应用。
2025年，是联合国宣布的“世界量子科技年”。尽管量子计算仍然面临诸多技术挑战，但其潜在应用前景广阔，未来有望在多个领域带来革命性的变革。
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