信息技術發展的里程碑：微軟推出Majorana量子處理器

吳國發

2025年3月3日

吳國發按：這是一篇理論性很強的重要文章，具有量子物理學和計算機技術基本知識的人才能讀懂全文。其他人也可以閱讀、瀏覽該文，以便知道信息技術的新里程碑和量子計算機的新進展。

內容提要：2月19日，微軟公司官網發表文章。推出世界第一個由拓撲量子比特提供支持的量子處理器Majorana 1。微軟在可容納100萬個量子比特的芯片上放置了8個拓撲量子比特。這標志著向實用量子計算機的關鍵性飛躍；是信息技術發展進程的一個里程碑。

關鍵詞：微軟公司 量子計算機 拓撲導體 比特

（一）微軟宣布：Majorana 1 量子處理器問世

2024年2月19日，微軟公司官網（Microsoft.com）發表文章“Microsoft unveils Majorana 1, the world’s firstquantum processor powered by topological qubits”中文《微軟推出 Majorana 1，這是世界上第一個由拓撲量子比特提供支持的量子處理器》，簡稱《微軟推出 Majorana 1》；作者Chetan Nayak（切壇·納雅克），見參考文獻[1]。

Chetan Nayak是微軟公司高級研究員、主管量子硬件的副總裁。

隨后，2月22日，美國《自然新聞》網（NaturalNews.com）發表文章“Microsoftunveils Pentagon-backed Majorana 1quantum processor: A leap forward in quantum computing”，中文為《微軟推出五角大樓支持的Majorana1量子處理器：量子計算的躍進》，簡稱《量子計算的躍進》，作者WillowTohi（維婁·托希）；見參考文獻[2]。

【注：Majorana讀音“馬覺拉納”】

文章《微軟推出 Majorana 1》說：

量子計算機有望改變科學和社會，但前提是它們必須達到曾經看似遙不可及的規模，并且其可靠性由量子糾錯來確保。今天，我們宣布：在實現有用的量子計算的道路上取得關鍵性進展。我們從科學探索邁向了尖端技術創新，量子處理器Majorana 1問世。

Majorana 1由稱為拓撲導體的新材料制成。微軟已經在可容納100萬個量子比特的芯片上放置了8個拓撲量子比特。這標志著向實用量子計算機的關鍵性飛躍；這是信息技術發展進程的一個里程碑。

文章《量子計算的躍進》介紹了Majorana 1量子處理器的技術創新和里程碑意義。

下面，我們詳細介紹《微軟推出 Majorana 1》的內容。筆者對原文的小標題和段落次序做了改變。下一篇文章再詳細介紹《量子計算的躍進》的內容。

（二）新型材料拓撲導體的研制

今天的公告建立在我們團隊最近的技術突破之上：我們研制了世界上第一個拓撲導體。這類 革 命 性的材料使我們能夠創建拓撲超導性，這是一種以前只存在于理論上的新物質狀態。

量子計算要求我們設計一種新的物質狀態。因此，我們專門為此而設計新的物質狀態。

新材料拓撲導體源于微軟（Microsoft）公司在設計和制造結合砷化銦（一種半導體）和鋁（一種超導體）的門定義器件方面的創新。當冷卻到接近絕對零度（-273度）并用磁場調諧時，這些器件會形成拓撲超導納米線，導線末端具有“馬約拉零模式”（Majorana Zero Mode，MZM）。

在將近一個世紀的時間里，這些準粒子只存在于教科書中。現在，我們可以在我們的拓撲導體中按需創建和控制它們。MZM是量子比特的構建塊，通過“奇偶校驗”存儲量子信息，無論導線包含偶數還是奇數個電子。在傳統的超導體中，電子結合成庫珀對并無阻力地移動。任何不成對的電子都可以被檢測到，因為它的存在需要額外的能量。我們的拓撲導體是不同的：在這里，一對MZM之間共享一個不成對的電子，使其對環境不可見。此獨特屬性可保護量子信息。

（三）讀取拓撲導體量子信息的方案

雖然這使得我們的拓撲導體成為量子比特的理想載體，但它也帶來了一個挑戰：我們怎么讀取完全隱藏的量子信息？我們如何區分 1,000,000,000和1,000,000,001個電子？

我們針對這一測量挑戰的解決方案如下（參見下圖）。

下圖是微軟量子計算機讀取拓撲量子比特的狀態：

我們使用數字開關將納米線的兩端耦合到量子點上。量子點是一種可以存儲電荷的微型半導體器件。

這種連接增加了量子點的充電能力。至關重要的是，確切的增加取決于納米線的奇偶性。

我們使用微波來測量這種變化。量子點保持電荷的能力決定了微波如何從量子點反射。結果，它們返回時帶有納米線量子態的印記。

我們設計了儀器，把這些變化擴大到足夠大，可以一次性進行可靠測量。我們最初的測量誤差概率為1%。我們已經確定了顯著降低誤差概率的明確路徑。

（四）通過數字精度徹底改變量子控制

我們的系統顯示出令人印象深刻的穩定性。外部能量（如電磁輻射）可以打破庫珀對，產生不成對的電子，從而將量子比特的狀態從偶數奇偶翻轉到奇數奇偶校驗。然而，我們的結果表明，這種情況很少見，平均每毫秒只發生一次。這表明包裹我們處理器的屏蔽層可以有效地將此類輻射拒之門外。我們正在探索進一步減少這種情況的方法。

值得注意的是，我們的讀出技術已經非常準確，這表明我們正在利用這種奇特的物質狀態進行量子計算。

這種讀出技術實現了一種完全不同的量子計算方法——使用測量來執行計算。

傳統的量子計算通過精確的角度旋轉量子態，需要為每個量子比特定制復雜的模擬控制信號。這使得量子糾錯（quantum error correction，QEC）復雜化，它必須依靠這些相同的敏感作用來檢測和糾正錯誤。

我們基于測量的方法極大地簡化了QEC。我們完全通過簡單的數字脈沖激活的測量來執行誤差校正。這些脈沖將量子點與納米線連接起來和斷開。

這種數字控制使管理實際應用所需的大量的量子比特變得實用。這樣，我們就能徹底改變量子控制。

（五）從物理學突破到工程學創新

隨著核心構建塊的演示——在MZM中編碼、受拓撲保護并通過測量進行處理的量子信息——我們已準備好從物理學突破轉向工程學的實際實施。

下一步是圍繞稱為特子（tetron）的單量子比特設備構建的可擴展架構。在公司工作站問答會議上，我們分享了演示此量子比特基本作用的數據。一個基本作用是測量 tetron 中一條拓撲納米線的奇偶性。這使用了我們在《自然》（Nature）雜志發表的論文中描述的相同技術。

【注：英國出版的《自然》（Nature）雜志是世界上兩個最權威的自然科學雜志之一。另一個雜志是美國出版的《科學》（Science）。】

另一個關鍵作用將量子比特置于奇偶校驗狀態的疊加中。這也是通過量子點的微波反射測量來執行的，但采用不同的測量配置。我們將第一個量子點與納米線解耦，并將不同的點連接到器件一端的兩個納米線。通過執行 Z 和 X 這兩個正交的包利（Pauli）測量，我們展示了基于測量的控制。這是一個關鍵的里程碑，開啟了我們路線圖的下一步。

我們的路線圖現在系統地朝著可擴展的QEC邁進。下一步將涉及 4×2 特子（tetron）陣列。我們將首先使用雙量子比特子集來演示糾纏和基于測量的編織變換。然后，我們將使用整個8量子比特數組，在兩個邏輯量子比特上實現量子錯誤檢測。

拓撲量子比特的內置錯誤保護簡化了QEC。此外，與此前最先進的方法相比，我們的定制QEC代碼將時間和費用減少到十分之一。這種顯著的減少意味著我們的可擴展系統可以使用更少的物理量子比特構建，并有可能以更快的時鐘速度運行。

（六）五角大樓DARPA對微軟技術的認可

五角大樓國防高級研究計劃局（DARPA）已選擇微軟作為進入其嚴格的基準測試計劃的最后階段的公司之一。該計劃稱為“公用事業規模量子計算的未充分探索系統”（US2QC）。這個計劃是DARPA更大的“量子基準測試計劃”（QBI）對一部分。微軟將這一認可視為對我們構建具有拓撲量子比特的容錯量子計算機的路線圖的確證。

DARPA的US2QC計劃及其更廣泛的量子基準測試計劃（QBI）規定了一種評估量子系統的嚴格方法。這些量子系統可以解決經典計算機無法解決的問題。

迄今為止，US2QC計劃匯集了來自DARPA、空軍研究實驗室、約翰霍普金斯大學應用物理實驗室、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室和美國宇航局艾姆斯研究中心的專家，以驗證量子硬件、軟件和應用程序。

【注：五角大樓匯集了美國軍工系統最實力強機構的科學家、技術專家驗證微軟的量子處理器Majorana 1】

展望未來，更大的量子基準測試計劃預計將與更多量子計算機測試和評估專家合作。

以前，DARPA 在評估我們可以在合理的時間范圍內構建一臺實用規模的量子計算機后，選擇了微軟作為US2QC計劃早期階段的實施公司。然后，DARPA 評估了微軟量子團隊的容錯量子計算機的體系結構設計和工程計劃。經過仔細分析，DARPA和微軟公司已簽署協議，開始該計劃的最后階段。在此階段，微軟打算在幾年而不是幾十年內構建一個基于拓撲量子比特的容錯原型。這是向公用事業規模量子計算邁出的關鍵步驟。

（七）微軟承諾：將制造最先進超級計算機

18個月前（2023年7月），我們制定了量子超級計算機的路線圖。今天，我們達到了第二個里程碑，展示了世界上第一個拓撲量子比特。我們已經在可容納100萬個量子比特的芯片上放置了8個拓撲量子比特。

百萬量子比特量子計算機不僅是一個里程碑，而且是解決世界上一些最困難問題的最強超級計算機。即使是當今最強大的超級計算機也無法準確預測決定對我們未來至關重要的材料特性的量子過程。我們這種規模的量子計算可能會帶來很多創新。

我們通往有實用價值的量子計算的道路很明確。基礎技術已得到驗證。我們相信我們的架構是可擴展的。

我們與DARPA的新協議表明，我們承諾：不懈地朝著我們的目標前進，制造一臺能夠推動科學發現并解決重要問題的世界最先進超級計算機。

參考文獻：

[1] Chetan Nayak: “MicrosoftunveilsMajorana 1, the world’s first quantum processor powered by topological qubits”, microsof.com, February 19, 2025. Link:
https://azure.microsof.com/en-us/blog/quantum/2025/02/19/microsof-unveils-majorana-1-the-worlds-first-quantum-processor-powered-by-topological-qubits/

[2] WillowTohi: “Microsoft unveils Pentagon-backed Majorana 1quantum processor: A leapforward in quantum computing”, NaturalNews.com, February 22,2025. Link:
https://www.naturalnews.com/2025-02-22-microsof-unveils-pentagon-backed-majorana-1-quantum-processor.html