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微軟20年精煉，全球首個(gè)拓?fù)淞孔有酒鰻t！巴掌大芯片碾壓全球超算

新智元 整合編輯：太平洋科技 發(fā)布于：2025-02-23 00:15

物質(zhì)有三態(tài)，固液氣。但從今天起，物理學(xué)教科書要徹底被改寫了！

近日，微軟團(tuán)隊(duì)重磅發(fā)布全球首個(gè)基于拓?fù)浼軜?gòu)的量子芯片——Majorana 1。

這塊巴掌大的芯片，未來(lái)將容納一百萬(wàn)個(gè)量子比特。

它不僅僅是一塊芯片，更是一種超越固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)的全新物質(zhì)形態(tài)，標(biāo)志著量子計(jì)算邁入一個(gè)全新的時(shí)代。

最新研究已于19日發(fā)表在了頂刊Nature上。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2

與傳統(tǒng)量子計(jì)算相比，Majorana 1具有更高容錯(cuò)能力、更強(qiáng)的抗干擾性，可以在復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)行。

拓?fù)鋵?dǎo)體制造的量子比特，更快速、更可靠、更小尺寸的優(yōu)勢(shì)，每個(gè)量子比特尺寸僅為0.01mm。

這意味著，未來(lái)就可以輕易打造出擁有100萬(wàn)個(gè)量子比特的處理器。

納德拉表示，「一塊可以輕松握在掌心的芯片，能夠解決當(dāng)今地球上所有超級(jí)計(jì)算都無(wú)法突破的難題」。

就比如，分解塑料、設(shè)計(jì)自我修復(fù)的材料、藥物發(fā)現(xiàn)等等化學(xué)、生命科學(xué)、生物學(xué)中的問(wèn)題，未來(lái)都能被攻克。

納德拉預(yù)測(cè)，如果將AI與量子計(jì)算結(jié)合，量子計(jì)算可以用來(lái)生成合成數(shù)據(jù)；然后，AI可以利用這些數(shù)據(jù)訓(xùn)練更好的模型，應(yīng)用于化學(xué)、物理等復(fù)雜領(lǐng)域

更值得一提的是，開發(fā)出全新的拓?fù)淞孔颖忍�，是微軟團(tuán)隊(duì)近20年磨一劍的成果。

上個(gè)月，老黃曾預(yù)言量子計(jì)算還有20年才能實(shí)用，如今這一觀點(diǎn)要被顛覆了。

Majorana 1橫空出世，意味著人類能夠在幾年內(nèi)，而不是幾十年后，打造出具有現(xiàn)實(shí)意義的量子計(jì)算機(jī)。

納德拉激動(dòng)表示：這不是在炒作技術(shù)，而是在創(chuàng)造真正能服務(wù)于世界的科技。

就連馬斯克也激動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)，量子計(jì)算的突破越來(lái)越多！

網(wǎng)友驚呼，原來(lái)物質(zhì)世界還有另一種狀態(tài)。

量子時(shí)代，需要全新「晶體管」

Majorana 1量子芯片，是全球首款采用新型「拓?fù)溆?jì)算核心」（Topological Core）架構(gòu)的量子芯片（QPU）。

它采用了全球首創(chuàng)的「拓?fù)鋵?dǎo)體」。

拓?fù)鋵?dǎo)體（也稱拓?fù)涑瑢?dǎo)體）是一種特殊類別的材料，能夠創(chuàng)造出全新的物質(zhì)狀態(tài)——這既不是固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)，而是拓?fù)淞孔討B(tài)。

這種突破性材料，能夠觀察和控制馬約拉納粒子（Majorana particles），從而制造出更可靠、更具擴(kuò)展性的量子比特——量子計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)建單元。

研究人員利用這一特性，能夠產(chǎn)生更穩(wěn)定的量子比特。

這種量子比特不僅運(yùn)算速度快、微型化、數(shù)字化可控，而且無(wú)需像現(xiàn)有方案那樣作出巨大的取舍。

正如半導(dǎo)體的發(fā)明，使當(dāng)今的智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備成為可能一樣，拓?fù)鋵?dǎo)體加持的新型量子芯片，將會(huì)開辟全新的應(yīng)用途徑。

量子時(shí)代，需要全新的晶體管。

用于開發(fā)Majorana 1量子芯片的這種新架構(gòu)，為在一個(gè)可以放入手掌的單個(gè)芯片上集成百萬(wàn)量子比特提供了明確的技術(shù)路徑。

需要明確的是，微軟已經(jīng)在一枚可擴(kuò)展至百萬(wàn)量子比特規(guī)模的芯片上，成功集成了8個(gè)拓?fù)淞孔颖忍亍?/span>

從單個(gè)量子比特到自動(dòng)糾錯(cuò)的量子計(jì)算陣列，是一條實(shí)現(xiàn)可靠量子計(jì)算的必經(jīng)之路

100萬(wàn)量子比特，是量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)變革性實(shí)際應(yīng)用所需的關(guān)鍵閾值。

比如，將微塑料分解為無(wú)害的副產(chǎn)品，或者發(fā)明應(yīng)用于建筑、制造或醫(yī)療保健領(lǐng)域的自修復(fù)材料。

即便將當(dāng)今世界上所有計(jì)算機(jī)的算力集中在一起，也無(wú)法完成未來(lái)一臺(tái)百萬(wàn)量子比特計(jì)算機(jī)所能完成的任務(wù)。

也就是說(shuō)，這一系統(tǒng)擴(kuò)展至百萬(wàn)量子比特規(guī)模后，在解決最復(fù)雜的工業(yè)和社會(huì)問(wèn)題上，也可以得心應(yīng)手。

微軟預(yù)計(jì)，這一突破將使量子計(jì)算機(jī)能在未來(lái)幾年內(nèi)，而非幾十年后，解決具有實(shí)際意義的工業(yè)級(jí)問(wèn)題。

要知道，商業(yè)上重要的應(yīng)用需要數(shù)萬(wàn)億噸的操作，此前依賴每個(gè)量子微調(diào)模擬控制的方法，幾乎不可能完成。但如今，不可能已經(jīng)變?yōu)榭赡堋?/span>

目前，微軟內(nèi)部正在構(gòu)建世界首個(gè)基于拓?fù)淞孔颖忍氐娜蒎e(cuò)原型機(jī)（FTP），計(jì)劃將在未來(lái)幾年內(nèi)問(wèn)世。它也是美國(guó)DARPA「實(shí)用規(guī)模量子計(jì)算未充分探索系統(tǒng)」（US2QC）項(xiàng)目最后階段的一部分。

搭載在Majorana 1上的全球首個(gè)拓?fù)溆?jì)算核心的可靠性與生俱來(lái)，這是因?yàn)樗谟布䦟用嫔霞闪巳蒎e(cuò)能力，因而穩(wěn)定性更高。

20多年前，微軟決定攻克拓?fù)淞孔颖忍卦O(shè)計(jì)這個(gè)項(xiàng)目，充滿挑戰(zhàn)，但潛力巨大。

他們采取的這種獨(dú)特方法，面臨著陡峭的學(xué)習(xí)曲線，需要前所未有的科學(xué)和工程突破。然而，也只有這種方法，是通往可擴(kuò)展、可控量子比特最有希望的道路。

今日的重大進(jìn)展證明，微軟多年前的戰(zhàn)略選擇沒(méi)有錯(cuò)！

微軟研究員Matthias Troyer表示：「從一開始，我們就希望打造一臺(tái)能產(chǎn)生商業(yè)影響的量子計(jì)算機(jī)，而不僅僅是引領(lǐng)思想潮流。我們知道，我們需要一種全新的量子比特，我們必須實(shí)現(xiàn)規(guī)�；�

拓?fù)鋵?dǎo)體，量子計(jì)算新基石

世界首個(gè)拓?fù)鋵?dǎo)體，一種此前僅存在于理論中的新物質(zhì)狀態(tài)，如何打造的？

據(jù)介紹，一種由砷化銦（一種半導(dǎo)體）和鋁（一種超導(dǎo)體）構(gòu)成的全新的材料體系，即柵控器件（gate-defined devices），才得以實(shí)現(xiàn)。

其中大部分材料，都是由微軟通過(guò)逐個(gè)「原子級(jí)精度」設(shè)計(jì)和制造。

當(dāng)冷卻到接近絕對(duì)零度并通過(guò)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)時(shí)，這些器件形成拓?fù)涑瑢?dǎo)納米線，在納米線的兩端具有「馬約拉納零�！梗∕ajorana Zero Modes，簡(jiǎn)稱MZMs）。

接下來(lái)的研究目標(biāo)是，誘導(dǎo)一種稱為馬約拉納（Majorana）的新型量子粒子產(chǎn)生。

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，這些準(zhǔn)粒子僅存在于教科書中�，F(xiàn)在，人類可以在拓?fù)鋵?dǎo)體中按需創(chuàng)建、控制它們。

MZMs是量子比特的基本構(gòu)建塊，通過(guò)「宇稱」（parity），即納米線中包含偶數(shù)還是奇數(shù)個(gè)電子來(lái)存儲(chǔ)量子信息。

在傳統(tǒng)超導(dǎo)體中，電子結(jié)合成庫(kù)珀對(duì)（Cooper pair）并無(wú)阻力地移動(dòng)。任何未配對(duì)的電子都可以被檢測(cè)到，因?yàn)樗拇嬖谛枰~外的能量。

而拓?fù)鋵?dǎo)體則不同：在這里，一個(gè)未配對(duì)的電子在一對(duì)MZMs之間共享，使其對(duì)環(huán)境不可見。

正是這種獨(dú)特的特性，保護(hù)了量子信息。

雖然這使拓?fù)鋵?dǎo)體成為量子比特的理想候選者，但也帶來(lái)了一個(gè)挑戰(zhàn)：我們?nèi)绾巫x取被如此好地隱藏起來(lái)的量子信息？

我們?nèi)绾螀^(qū)分，比如說(shuō)，1,000,000,000和1,000,000,001個(gè)電子？

圖1：拓?fù)淞孔颖忍貭顟B(tài)的讀取

解決這個(gè)測(cè)量挑戰(zhàn)的方案如下：

使用數(shù)字開關(guān)將納米線的兩端連接到量子點(diǎn)。

這種連接增加了量子點(diǎn)存儲(chǔ)電荷的能力。關(guān)鍵是，具體增加多少取決于納米線的「宇稱」?fàn)顟B(tài)。

使用微波來(lái)測(cè)量這種變化。量子點(diǎn)存儲(chǔ)電荷的能力決定了微波如何從量子點(diǎn)反射。因此，返回的微波攜帶著納米線量子態(tài)的印記。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，微軟設(shè)計(jì)的新器件使這些變化足夠大，可以在單次讀取中可靠地測(cè)量，并且展現(xiàn)出令人印象深刻的穩(wěn)定性。

目前，初始測(cè)量的錯(cuò)誤率為1%，但微軟表示，已經(jīng)找到了顯著降低這一比率的明確途徑。

外部能量（如電磁輻射）可能會(huì)打斷「庫(kù)珀對(duì)」，產(chǎn)生未配對(duì)電子，這可能使量子比特的狀態(tài)從偶數(shù)「宇稱」翻轉(zhuǎn)到奇數(shù)「宇稱」。

然而，最新結(jié)果表明這種情況很少發(fā)生，平均每毫秒只發(fā)生一次。

這表明包裹處理器的屏蔽層能有效地阻擋這種輻射嗎，目前，微軟正在探索進(jìn)一步降低這種情況發(fā)生頻率的方法。

超精確讀出技術(shù)，數(shù)字化可控

如果希望應(yīng)用更有商業(yè)價(jià)值，就需要在百萬(wàn)量子比特上執(zhí)行萬(wàn)億量級(jí)的運(yùn)算，但現(xiàn)有的方法都是依賴于對(duì)每個(gè)量子比特進(jìn)行精細(xì)的模擬控制，因而難以實(shí)現(xiàn)。

但現(xiàn)在有了微軟的新方法，就可以直接實(shí)現(xiàn)量子比特的數(shù)字化控制了！

這就從根本上重新定義了量子計(jì)算的運(yùn)作方式，而且將其極大簡(jiǎn)化。

這種讀出技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種從根本上不同的量子計(jì)算方法，即利用測(cè)量來(lái)執(zhí)行計(jì)算。

傳統(tǒng)量子計(jì)算需要通過(guò)精確角度旋轉(zhuǎn)量子態(tài)，這就要求為每個(gè)量子比特定制復(fù)雜的模擬控制信號(hào)。這使量子糾錯(cuò)（QEC）變得復(fù)雜，因?yàn)樗仨氁蕾囘@些相同的敏感操作來(lái)檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤。

而微軟基于測(cè)量的方法大大簡(jiǎn)化了量子糾錯(cuò)。

通過(guò)測(cè)量來(lái)執(zhí)行錯(cuò)誤糾正，這些測(cè)量由簡(jiǎn)單的數(shù)字脈沖激活，用于連接和斷開量子點(diǎn)與納米線的連接。這種數(shù)字控制方式使管理實(shí)際應(yīng)用所需的大量量子比特變得切實(shí)可行。

從物理學(xué)到工程學(xué)

現(xiàn)在，核心構(gòu)建模塊已經(jīng)得到證實(shí)——量子信息編碼在MZMs中，受拓?fù)浔Ｗo(hù)，并通過(guò)測(cè)量進(jìn)行處理。

現(xiàn)在，微軟已準(zhǔn)備好從物理突破，走向?qū)嶋H應(yīng)用。

下一步是，將圍繞一個(gè)稱為四端子量子比特（tetron）的單量子比特器件構(gòu)建可擴(kuò)展架構(gòu)（見圖2）。

其中一個(gè)基本操作——測(cè)量tetron中一個(gè)拓?fù)浼{米線的宇稱。另一個(gè)關(guān)鍵操作是使量子比特處于「宇稱態(tài)」的疊加態(tài)。

后者同樣是通過(guò)量子點(diǎn)的微波反射測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但在不同的測(cè)量配置中，微軟將第一個(gè)量子點(diǎn)從納米線解耦，并在器件一端將不同的量子點(diǎn)連接到兩條納米線。

通過(guò)執(zhí)行這兩個(gè)正交的泡利測(cè)量（Pauli measurements，Z和X），他們已經(jīng)證明了基于測(cè)量的控制——這是一個(gè)關(guān)鍵里程碑，為路線圖上的下一步鋪平了道路。

圖2：使用四子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算的路線圖。第一個(gè)子圖展示了單量子比特裝置：四子結(jié)構(gòu)由兩條平行的拓?fù)鋵?dǎo)線（藍(lán)色）組成，每個(gè)末端具有一個(gè)馬約拉納零模（橙色點(diǎn)），并由一條垂直的普通超導(dǎo)導(dǎo)線（淺藍(lán)色）連接。第二個(gè)子圖展示了支持基于測(cè)量的編織變換的雙量子比特裝置。第三個(gè)子圖顯示了一個(gè)4×2的四子結(jié)構(gòu)陣列，用于演示兩個(gè)邏輯量子比特的量子錯(cuò)誤檢測(cè)。這些演示為量子糾錯(cuò)技術(shù)鋪平道路，如右側(cè)子圖所示的裝置（一個(gè)27×13的四子結(jié)構(gòu)陣列）

微軟路線圖現(xiàn)在系統(tǒng)地指向可擴(kuò)展的量子糾錯(cuò)，下一步將涉及4×2 tetron陣列。

團(tuán)隊(duì)首先將使用兩個(gè)量子比特子集來(lái)演示量子糾纏和基于測(cè)量的編織變換（braiding transformations）。隨后，使用全部八個(gè)量子比特陣列，再對(duì)兩個(gè)邏輯量子比特實(shí)施量子錯(cuò)誤檢測(cè)。

拓?fù)淞孔颖忍氐膬?nèi)置錯(cuò)誤保護(hù)簡(jiǎn)化了量子糾錯(cuò)。

此外，與之前最先進(jìn)的方法相比，微軟的定制量子糾錯(cuò)碼（QEC codes）將開銷降低了約十倍。

這種顯著的減少意味著，可擴(kuò)展系統(tǒng)不僅可以用更少的物理量子比特構(gòu)建，而且有潛力實(shí)現(xiàn)更高的時(shí)鐘頻率。

開啟量子計(jì)算的無(wú)限可能

一年半前，微軟制定了實(shí)現(xiàn)量子超級(jí)計(jì)算機(jī)的路線圖。

而今天，他們達(dá)到了第二個(gè)重要里程碑，成功展示了世界上第一個(gè)拓?fù)淞孔颖忍亍?/span>

不僅如此，微軟已經(jīng)在一個(gè)可容納百萬(wàn)量子比特的芯片設(shè)計(jì)中，成功集成了八個(gè)拓?fù)淞孔颖忍亍?/span>

可以說(shuō)，一臺(tái)百萬(wàn)量子比特的量子計(jì)算機(jī)不僅僅是一個(gè)里程碑——它更是解決世界上一些最棘手問(wèn)題的關(guān)鍵。

量子計(jì)算可以幫助破解材料腐蝕或開裂的復(fù)雜化學(xué)機(jī)理。這一突破可能催生出能夠自動(dòng)修復(fù)橋梁構(gòu)件、飛機(jī)零件、碎裂手機(jī)屏幕甚至汽車劃痕的智能材料。

由于塑料種類繁多，目前還無(wú)法找到一種通用的催化劑來(lái)分解各類塑料，這對(duì)于治理微塑料污染和應(yīng)對(duì)碳排放尤為重要。量子計(jì)算有望通過(guò)精確計(jì)算催化劑特性，既可以將污染物轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的副產(chǎn)品，也可以從源頭開發(fā)無(wú)毒替代材料。

通過(guò)量子計(jì)算提供的精確計(jì)算能力，人類可以更有效地利用酶在醫(yī)療衛(wèi)生和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。這可能帶來(lái)消除全球饑餓的重大突破：提升土壤肥力以增加農(nóng)作物產(chǎn)量，或促進(jìn)作物在惡劣氣候條件下的可持續(xù)生長(zhǎng)。

更令人激動(dòng)的是，量子計(jì)算可以讓工程師、科學(xué)家簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)一切，從醫(yī)療保健到產(chǎn)品開發(fā)。

當(dāng)量子計(jì)算的力量與AI相結(jié)合，人們就可以通過(guò)語(yǔ)言創(chuàng)建新材料或分子，直接得到答案，無(wú)需猜測(cè)或?qū)嶒?yàn)。

即使最強(qiáng)大的超算，也無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)些決定未來(lái)關(guān)鍵材料性質(zhì)的量子過(guò)程。

但如今，我們有望迎來(lái)革命性創(chuàng)新，或許人類即將發(fā)現(xiàn)能修復(fù)橋梁裂縫的自修復(fù)材料、可持續(xù)農(nóng)業(yè)技術(shù)，以及更安全的化學(xué)物質(zhì)發(fā)現(xiàn)方法。

現(xiàn)在許多需要投入巨額資金的實(shí)驗(yàn)研究，很可能用量子計(jì)算機(jī)就能直接獲得結(jié)果。

總之，通往實(shí)用量子計(jì)算的道路已經(jīng)清晰可見。

參考資料：

https://news.microsoft.com/source/features/ai/microsofts-majorana-1-chip-carves-new-path-for-quantum-computing/?ocid=FY25_soc_omc_br_x_QuantumMajorana

本文來(lái)源：新智元

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    呼倫 呼倫 2023-05-05 00:03
  • 極氪“流血”上市，最急的是埃安、哪吒?jìng)?

    在經(jīng)歷了2018-2020年“蔚小理”的上市潮后，隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，以及全球EV需求放緩，IPO的大門正在向造車新勢(shì)力們緩緩關(guān)閉。極氪的成功上市既是對(duì)新勢(shì)力的一次激勵(lì)，也是一次警示——后來(lái)者必須面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)苛的上市條件。留給哪吒汽車、廣汽埃安們的機(jī)會(huì)可能不多了。

    劉凡 劉凡 2024-05-11 11:26
    極氪   吉利   哪吒   埃安
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