原標(biāo)題：微軟發(fā)布量子芯片 二十年磨一劍，馬斯克轉(zhuǎn)發(fā)力挺
在所有人都在談?wù)?iPhone 16e 的國(guó)行價(jià)格時(shí)，微軟首發(fā)的量子計(jì)算芯片 Majorana 1 也化身科技圈的汪峰，被搶去了不少聲浪。
但作為科技圈的現(xiàn)象級(jí)新聞，被微軟 CEO 薩提亞·納德拉稱之為不是技術(shù)炒作，而是世界級(jí)科技的 Majorana 1，還是值得拿出來(lái)說(shuō)道說(shuō)道的。
包括馬斯克也激動(dòng)地轉(zhuǎn)發(fā)納德拉的推文，并盛贊量子計(jì)算的突破越來(lái)越多，或許也從側(cè)面印證了 Majorana 1 的分量。
Majorana 1 巴掌大小，卻能解決全球超算難題？
微軟剛剛推出的 Majorana 1，是全球首款基于新型拓?fù)浜诵募軜?gòu)的量子芯片。
字都認(rèn)識(shí)，但連在一起就不懂了。
別急，在理解這句話之前，我們需要了解一個(gè)知識(shí)點(diǎn)——「拓?fù)鋵?dǎo)體」。
在我們的傳統(tǒng)認(rèn)知中，物質(zhì)主要以固體、液體和氣體三種狀態(tài)存在。而經(jīng)過(guò)近 20 年的探索，微軟成功創(chuàng)造出第四種物質(zhì)形態(tài)——拓?fù)鋺B(tài)。
「拓?fù)洹故且环N很特別的科學(xué)原理，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它能讓芯片里的信息傳輸和存儲(chǔ)變得更加穩(wěn)定，不容易出錯(cuò)。微軟的科學(xué)家們開發(fā)出了一種全新的材料，叫「拓?fù)鋵?dǎo)體」。
微軟表示，就像半導(dǎo)體的發(fā)明讓如今的智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備為之誕生一樣，拓?fù)鋵?dǎo)體及其所支持的新型芯片，為量子系統(tǒng)的發(fā)展提供了一條可行的道路。
這種由砷化銦（半導(dǎo)體）和鋁（超導(dǎo)體）構(gòu)建而成的拓?fù)鋵?dǎo)體，能在接近絕對(duì)零度的環(huán)境下形成拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)，為量子芯片提供了一個(gè)超級(jí)穩(wěn)定的「骨架」，也讓其朝著更實(shí)用、更強(qiáng)大的方向邁進(jìn)了一大步。
另一個(gè)需要掌握的知識(shí)點(diǎn)是量子比特。
在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，比特 只能表示 0 或 1，而量子計(jì)算機(jī)中的量子比特能夠同時(shí)表示 0 和 1，或介于兩者之間的任意狀態(tài)，從而帶來(lái)更強(qiáng)的計(jì)算能力。
然而，大多數(shù)類型的量子比特只能維持量子態(tài)極短的時(shí)間，通常僅為幾分之一秒，導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤或者存儲(chǔ)的信息很快丟失。多年來(lái)，IBM、微軟和 Google 等公司一直在努力讓量子比特像二進(jìn)制比特一樣穩(wěn)定。
為此，微軟選擇了一條與 IBM、Google 等公司不同的道路——研發(fā)拓?fù)淞孔颖忍亍Ｋ麄冋J(rèn)為，這種量子比特更穩(wěn)定，所需的糾錯(cuò)更少，從而在速度、規(guī)模和可控性方面具備優(yōu)勢(shì)。
而這條道路主要依賴于一種從未被真正觀測(cè)到或制造出來(lái)的特殊粒子——Majorana 粒子。
這種由理論物理學(xué)家 Ettore Majorana 在 1937 年首次提出的特殊粒子，并不存在于自然界中，只能在磁場(chǎng)和超導(dǎo)體的特定條件下被「誘導(dǎo)」產(chǎn)生。由于制造這種粒子所需的材料研發(fā)難度極大，大多數(shù)量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)選擇了放棄這條路徑，轉(zhuǎn)而研究其他類型的量子比特。
然而，微軟的 Majorana 1 聲稱取得了關(guān)鍵性突破。
他們開發(fā)的拓?fù)鋵?dǎo)體成功實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)目標(biāo)，一個(gè)是能夠在特定條件下誘導(dǎo)出 Majorana 粒子，另一個(gè)則是能夠精確控制這些粒子的行為，從而構(gòu)建出穩(wěn)定性和可靠性都遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方案的量子比特。
在此基礎(chǔ)上，微軟團(tuán)隊(duì)在測(cè)量技術(shù)上也實(shí)現(xiàn)了重大進(jìn)展。
微軟研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種通過(guò)數(shù)字脈沖控制的精確測(cè)量方法，能夠檢測(cè)出超導(dǎo)線中電子數(shù)量的奇偶性變化（即單個(gè)電子的差異），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)量子比特狀態(tài)的高精度讀取。
想象你有一罐彈珠，但這罐彈珠特別特別小，小到肉眼根本看不見�，F(xiàn)在你需要知道罐子里是單數(shù)個(gè)還是雙數(shù)個(gè)彈珠，而且要特別準(zhǔn)確，差一個(gè)都不行。
微軟團(tuán)隊(duì)通過(guò)發(fā)送一些特殊的電信號(hào)（就像用手電筒的光去照），就能精確地告訴你罐子里的彈珠是單數(shù)還是雙數(shù)，在量子計(jì)算機(jī)里，我們需要精確知道每個(gè)量子比特的狀態(tài)（就像知道彈珠的數(shù)量），這樣才能確保計(jì)算是準(zhǔn)確的。
如果連這些最基礎(chǔ)的信息都讀不準(zhǔn)，那量子計(jì)算機(jī)就像是一個(gè)算錯(cuò)題的計(jì)算器，毫無(wú)用處。
Majorana 1 芯片推出的同一天，相關(guān)研究論文也在《Nature》上發(fā)表。
自 2005 年微軟技術(shù)研究員 Nayak 加入并開始研究這一難題以來(lái)，已經(jīng)歷時(shí)近 20 年，跨越多任 CEO、不同管理團(tuán)隊(duì)和多個(gè)領(lǐng)導(dǎo)層，光這篇《Nature》論文就包含了 160 多位研究人員、科學(xué)家和工程師的名字。
附上論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2
與大多數(shù)芯片公司依賴臺(tái)積電等制造商不同， Majorana 1 的核心組件只會(huì)由微軟在美國(guó)自主制造。核心原因在于目前的研發(fā)仍處于小規(guī)模實(shí)驗(yàn)階段，無(wú)需也很難做到大規(guī)模代工生產(chǎn)。
在物理實(shí)現(xiàn)上，Majorana 1 采用了獨(dú)特的 H 形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每個(gè)結(jié)構(gòu)包含四個(gè)可控的 Majorana 粒子，能夠像瓷磚一樣在芯片上擴(kuò)展。這種設(shè)計(jì)使得量子比特在保持穩(wěn)定性的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)更小的體積和更高的集成度。
每個(gè)拓?fù)淞孔颖忍爻叽鐑H有 1/100毫米大小，眼前的這塊 Majorana 1 芯片只有巴掌大小，但也集成了 8 個(gè)量子比特，而芯片的量子比特越多，它的能力就越強(qiáng)。
納德拉更是宣稱，這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。
不過(guò)，微軟執(zhí)行副總裁 Jason Zander 在接受 CNBC 采訪時(shí)表示：「在討論商業(yè)可靠性之前，我們希望先實(shí)現(xiàn)幾百個(gè)量子比特�！�
為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量子計(jì)算，微軟未來(lái)計(jì)劃在單個(gè)芯片上集成百萬(wàn)量子比特，甚至有望直接部署在 Azure 數(shù)據(jù)中心內(nèi)。對(duì)此，馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家 Sankar Das Sarma 的評(píng)價(jià)則是正確的、中肯的、一針見血的：
拓?fù)淞孔颖忍刈畲蟮牧觿?shì)在于，它仍然更像是一個(gè)物理學(xué)問(wèn)題，但如果微軟今天的所有聲明都屬實(shí)……那么也許物理階段正接近尾聲，而工程實(shí)現(xiàn)的階段即將開始。
百萬(wàn)量子比特超算或提前到來(lái)，微軟熬出頭了？
「無(wú)論在量子計(jì)算領(lǐng)域做什么，都必須有一條通往百萬(wàn)量子比特的明確路徑。否則，在真正達(dá)到能夠解決那些推動(dòng)我們前進(jìn)的重要問(wèn)題的規(guī)模之前，就會(huì)遇到瓶頸，而我們，已經(jīng)找到了這條道路。」
微軟技術(shù)研究員 Chetan Nayak 如上說(shuō)道。量變引起質(zhì)變，容納百萬(wàn)量子比特也只是量子計(jì)算機(jī)的最低門檻。倘若 Nayak 所言不虛，那將會(huì)帶來(lái)什么影響呢？
微軟官方在博客中列舉了幾個(gè)例子：
幫助研究材料腐蝕和裂紋的成因，推動(dòng)自我修復(fù)材料的發(fā)展，比如修復(fù)橋梁或飛機(jī)部件的裂縫、碎裂的手機(jī)屏幕，甚至被劃傷的車門。
計(jì)算催化劑的分子特性，將塑料污染物分解為有價(jià)值的副產(chǎn)品，甚至直接開發(fā)無(wú)毒的替代材料。
精確模擬酶的作用機(jī)理，使其應(yīng)用更加高效，從而提高土壤肥力，提升糧食產(chǎn)量，或在惡劣氣候條件下促進(jìn)農(nóng)作物的可持續(xù)生長(zhǎng)，從而幫助解決全球饑餓問(wèn)題。
最重要的是，量子計(jì)算能夠讓工程師、科學(xué)家、企業(yè)以及其他領(lǐng)域的專業(yè)人士在第一時(shí)間精準(zhǔn)設(shè)計(jì)出理想的產(chǎn)品，從而徹底改變從醫(yī)療保健到產(chǎn)品開發(fā)等各個(gè)行業(yè)。
當(dāng)量子計(jì)算的強(qiáng)大能力與 AI 工具結(jié)合后，人們可以用簡(jiǎn)單直白的語(yǔ)言描述自己想要?jiǎng)?chuàng)造的新材料或新分子，并立即獲得可行的答案，無(wú)需猜測(cè)，也無(wú)需反復(fù)試驗(yàn)多年。
用微軟量子計(jì)算負(fù)責(zé)人Matthias Troyer 的話來(lái)說(shuō)：
「任何從事制造的公司，都可以在第一次嘗試時(shí)就完美設(shè)計(jì)出產(chǎn)品，量子計(jì)算機(jī)會(huì)直接給出答案。量子計(jì)算機(jī)能教會(huì) AI 『自然界的語(yǔ)言』，從而讓 AI 直接告訴你，如何配制出你想要的東西。」
盡管已經(jīng)解決了許多科學(xué)和工程上的難題，但收獲成熟的果實(shí)還需要幾年時(shí)間。微軟技術(shù)研究員 Krysta Svore 提到，實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋺B(tài)物質(zhì)的材料堆疊是整個(gè)過(guò)程中最困難的部分之一。
如開篇所說(shuō)，微軟的拓?fù)鋵?dǎo)體由砷化銦制成，而不是傳統(tǒng)的硅材料。砷化銦具有特殊的物理性質(zhì)，適用于紅外探測(cè)器等應(yīng)用。通過(guò)極低溫使其與超導(dǎo)性結(jié)合，形成了一種混合材料。
微軟通過(guò)逐個(gè)原子的方式「噴灑」材料，要求材料完美排列，如果材料堆疊中存在太多缺陷，量子比特的性能會(huì)受到嚴(yán)重影響。
一個(gè)「先有雞還是先有蛋」的問(wèn)題就出現(xiàn)了，如果要制造更好的量子計(jì)算機(jī)，我們需要更完美的材料，但要理解如何制造更完美的材料，我們又需要量子計(jì)算機(jī)的幫助
不過(guò)，量子超級(jí)計(jì)算機(jī)的到來(lái)或許也不用等很久。根據(jù)微軟制定的路線圖，我們總結(jié)了幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：
展示世界上第一個(gè)拓?fù)淞孔颖忍�，并在單個(gè)芯片上集成了 8 個(gè)拓?fù)淞孔颖忍亍?/div>
計(jì)劃構(gòu)建一個(gè) 4×2 的量子比特陣列，用于演示量子糾纏和量子錯(cuò)誤檢測(cè)。
最終實(shí)現(xiàn)單芯片集成百萬(wàn)量子比特，打造量子超級(jí)計(jì)算機(jī)，并推動(dòng)量子計(jì)算的實(shí)用化。
另一方面，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA） 已選擇微軟作為進(jìn)入「未充分開發(fā)的公用事業(yè)規(guī)模量子計(jì)算系統(tǒng)」（US2QC）最終階段的兩家公司之一。
這一計(jì)劃是 DARPA 更大范圍的量子基準(zhǔn)測(cè)試計(jì)劃的一部分，旨在驗(yàn)證是否能夠在 2033 年前構(gòu)建出具有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)。
換句話說(shuō)，微軟預(yù)計(jì)將在幾年內(nèi)（而非幾十年）構(gòu)建基于拓?fù)淞孔颖忍氐娜蒎e(cuò)原型量子計(jì)算機(jī)。
有生之年系列再 +1。
當(dāng)然，也不是所有人都看好這一發(fā)展速度。英偉達(dá) CEO 黃仁勛曾在年初的 CES 2025 上公開表示，距離量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用落地至少還有 20 年的時(shí)間。
如果你說(shuō) 15 年內(nèi)就能制造出非常有用的量子計(jì)算機(jī)，那可能有點(diǎn)早。如果你說(shuō) 30 年，那可能已經(jīng)晚了。如果你說(shuō) 20 年，我想我們很多人都會(huì)相信。
黃仁勛的潑冷水也不全然出于競(jìng)爭(zhēng)考慮，量子計(jì)算需要 GPU 進(jìn)行混合計(jì)算模擬和算法優(yōu)化，而英偉達(dá)的 GPU 可增強(qiáng)量子計(jì)算機(jī)的 AI 泛化能力，亦可相輔相成。
作為補(bǔ)充，美國(guó)初創(chuàng)公司 PsiQuantum 是 DARPA 選定的另一家企業(yè)，其量子計(jì)算技術(shù)則是基于光子量子比特。去年，PsiQuantum 宣布在澳大利亞投資 6.2 億美元，建設(shè)一個(gè)全規(guī)模量子計(jì)算系統(tǒng)。
關(guān)于微軟的拓?fù)淞孔颖忍�，還有一個(gè)不得不提的《Nature》撤稿故事。
長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家一直在尋找 Majorana 粒子的存在證據(jù)，2012 年，Leo Kouwenhoven 及其國(guó)際團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文，首次在實(shí)驗(yàn)上暗示了 Majorana 粒子的存在。
該研究也被 Physics World 評(píng)為當(dāng)年年度十大突破之一。
到了 2016 年，微軟設(shè)立 Microsoft Quantum Lab 并聘請(qǐng) Kouwenhoven 擔(dān)任主任，以推進(jìn) Majorana 量子比特的研究。兩年后，他們的努力似乎迎來(lái)了重大突破，在《Nature》發(fā)表了一篇轟動(dòng)性論文。
這篇論文提到，他們?cè)?0.02 K 的極低溫環(huán)境下，觀察到兩個(gè)電子在納米線的末端成對(duì)存在，其中一個(gè)電子位于半導(dǎo)體部分，另一個(gè)電子位于超導(dǎo)層。
但問(wèn)題是，他們只能證明其中一對(duì)電子的存在，卻無(wú)法證明另一對(duì)電子的存在，而后者是形成 Majorana 量子比特的必要條件。
面對(duì)科學(xué)界的質(zhì)疑聲，Kouwenhoven 團(tuán)隊(duì)重新分析了原始數(shù)據(jù)，并重新搭建實(shí)驗(yàn)裝置以校準(zhǔn)某些參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此前的論文實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以復(fù)現(xiàn)。
2023 年，《Nature》正式發(fā)布撤稿聲明，Kouwenhoven 團(tuán)隊(duì)也以實(shí)事求是的態(tài)度承認(rèn)了論文在科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性上的不足，并向?qū)W術(shù)界致歉。
深入調(diào)查顯示，研究團(tuán)隊(duì)沒(méi)有造假，但也確實(shí)存在數(shù)據(jù)篩選和實(shí)驗(yàn)誤差。
據(jù)悉，這一撤稿后續(xù)引發(fā)了學(xué)術(shù)界對(duì)量子計(jì)算研究「過(guò)度炒作」的大量討論，這也是微軟 CEO 會(huì)在 X 平臺(tái)的發(fā)文中特意強(qiáng)調(diào) Majorana 1 的發(fā)布并非炒作的重要原因。
當(dāng)然，量子計(jì)算研究極其復(fù)雜，那次撤稿也并未否定 Majorana 量子比特技術(shù)路線的可行性。而相比于 2018 年發(fā)布的那篇論文，七年后的今天，「執(zhí)拗」的微軟或許用 Majorana 1 改寫了那個(gè)未完成的故事。
#歡迎關(guān)注愛范兒官方微信公眾號(hào)：愛范兒（微信號(hào)：ifanr），更多精彩內(nèi)容第一時(shí)間為您奉上。
投稿郵箱：chuanbeiol@163.com 詳情請(qǐng)?jiān)L問(wèn)川北在線：http://m.sanmuled.cn/
