微软近日发布了世界上首个由拓扑量子比特驱动的量子处理器——Majorana 1，这标志着量子计算领域的一个重要里程碑。量子计算机有望彻底改变科学和社会，但前提是它们需要达到规模和可靠性要求。微软在这方面取得了快速进展。
Majorana 1：拓扑量子比特驱动的量子处理器
Majorana 1是世界上首个由拓扑核心驱动的量子处理器，设计目标是将单个芯片上的量子比特数量扩展到一百万个。拓扑量子比特是一种全新的材料和工程技术，能够实现小型、快速且数字控制的量子比特。
拓扑超导体：新材料的突破
微软团队最近的突破是世界上首个拓扑导体，这种革命性材料使我们能够创建拓扑超导性，这是一种以前仅存在于理论中的新物质状态。通过将砷化铟（半导体）和铝（超导体）结合，并在接近绝对零度的温度下调节磁场，这些设备形成了具有Majorana零模式（MZM）的拓扑超导纳米线。
量子信息的存储与读取
MZM是量子比特的基本构建块，通过“奇偶性”存储量子信息，即纳米线中电子数量的奇偶性。在传统超导体中，电子成对移动且无电阻，而在拓扑导体中，未配对的电子被MZM对共享，使其对环境不可见，从而保护量子信息。
为了读取这种隐藏的量子信息，微软使用数字开关将纳米线两端与量子点连接。量子点是一个微小的半导体设备，可以存储电荷。通过测量量子点的电荷保持能力变化，微软能够读取纳米线的量子状态。
图：微软推出全球首款拓扑量子比特驱动的量子处理器 Majorana 1
数字精度控制的量子计算
这种读取技术使得通过测量来执行计算成为可能。传统的量子计算需要通过精确的角度旋转量子状态，这需要复杂的模拟控制信号。而微软的测量方法通过简单的数字脉冲来激活量子点与纳米线的连接和断开，从而简化了量子误差校正（QEC）。
从物理学到工程学
微软展示了量子信息在MZM中编码、通过拓扑保护并通过测量处理的核心构建块。接下来的步骤是围绕单量子比特设备（称为tetron）构建可扩展架构。微软的路线图系统地通向可扩展的QEC，最终目标是实现大规模实用的量子计算。
DARPA的认可
美国国防高级研究计划局（DARPA）选择微软作为其US2QC计划的最终阶段参与者之一，这表明微软在构建基于拓扑量子比特的容错量子计算机方面的路线图得到了认可。
解锁量子的潜力
微软的目标是构建一台能够推动科学发现并解决实际问题的量子计算机。通过与DARPA的新协议，微软承诺在几年内而非几十年内构建基于拓扑量子比特的容错原型机，朝着实用规模的量子计算迈出关键一步。
总之，微软的Majorana 1量子处理器和拓扑量子比特技术展示了量子计算的巨大潜力，有望解决当前最复杂的问题。
