微软发布一颗革命性的芯片：量子计算芯片Majorana 1

微软今天推出了一款革命性的新量子芯片——Majorana 1，据称它将缩短实现实用容错计算所需的等待时间，从几十年缩短到几年。

这款新芯片以难以捉摸的准粒子（Majorana）命名，而这种准粒子的存在经常受到质疑。它具有许多独特的优势，包括速度、尺寸以及固有的抗噪声误差能力。

微软称，这款新设备为“世界上第一个拓扑导体，这是一种突破性的材料，可以观察和控制马约拉纳粒子，从而产生更可靠、更可扩展的量子比特，而量子比特是量子计算机的基石。”微软表示，在单个Majorana芯片上实现一百万个量子比特是可能的。

大约 17 年来，尽管业界对此持怀疑态度，但微软一直在研究神秘的马约拉纳粒子。今天的成果代表着其高风险高回报项目的回报，或许也为大规模容错量子计算提供了一条更清晰的道路。

技术研究员兼量子硬件公司副总裁 Chetan Nayak 发表了一篇博客，讨论了这项工作和新设备。他特别指出了新进展：

• Majorana 1——世界上第一个由拓扑核心驱动的量子处理单元 (QPU)，旨在在单个芯片上扩展到一百万个量子比特

• 硬件保护的拓扑量子比特——今天发表在《自然》杂志上的一项研究，以及本周在 Q 站会议上分享的数据，展示了利用一种新型材料和设计一种完全不同类型的量子比特的能力，这种量子比特体积小、速度快、数字化控制

• 可靠量子计算的设备路线图——从单量子比特设备到实现量子纠错的阵列的路径

• 构建世界上第一个基于拓扑量子位的容错原型 (FTP) — 作为 DARPA US2QC 计划最后

• 阶段的一部分，微软将在数年内（而不是数十年）构建可扩展量子计算机的 FTP

“今天的所有公告都建立在我们团队最近的突破之上：世界上第一个拓扑导体。这种革命性的材料使我们能够创造拓扑超导性，这是一种以前只存在于理论中的新物质状态，”纳亚克写道。“这一进步源于微软在设计和制造栅极定义设备方面的创新，这些设备结合了半导体砷化铟和超导体铝。当冷却到接近绝对零度并用磁场调节时，这些设备会形成拓扑超导纳米线，导线末端具有 Majorana Zero Modes (MZM)。

“近一个世纪以来，这些准粒子只存在于教科书中。现在，我们可以根据需要在拓扑导体中创建和控制它们。MZM 是我们量子比特的构建块，通过‘奇偶性’存储量子信息——导线包含偶数还是奇数个电子。在传统超导体中，电子结合成库珀对并无阻力移动。任何未配对的电子都可以被检测到，因为它的存在需要额外的能量。我们的拓扑导体不同：在这里，一对 MZM 之间共享一个未配对的电子，使其对环境不可见。这种独特的属性保护了量子信息，”Nayak 写道。

大多数量子观察家都知道，Majorana是一种准粒子或一种特殊的物质状态，它天生就能够抵抗导致量子计算机出错的环境噪声。基于Majorana的量子比特被称为拓扑量子比特，广义上讲，这意味着信息（零和一）在空间中分散（交织），使它们不易受到噪声（热量、电磁干扰等）的影响。

毫无疑问，Majorana 概念可能会令人困惑。微软已经完成了一项出色的工作，他们构建了一个微型网站，其中包含各种材料（博客、新闻稿、视频）以帮助澄清问题。对于技术性更强的读者，本文末尾附有两篇论文的摘要：1)使用拓扑量子位阵列实现容错量子计算的路线图，以及 2) InAs-Al 混合设备中的干涉单次奇偶校验测量。

为了让大家大致了解微软的计划，下面是路线图的摘录：“我们的路线图涵盖四代设备：单量子比特设备，可实现基于测量的量子比特基准测试协议；双量子比特设备，使用基于测量的编织来执行单量子比特 Clifford 操作；八量子比特设备，可用于显示在逻辑量子比特上而不是直接在物理量子比特上执行双量子比特操作时的改进；拓扑量子比特阵列，支持在两个逻辑量子比特上进行晶格手术演示。”

创造和控制马约拉纳粒子只是挑战的一部分。开发一种测量和读出量子比特的实用方法也具有挑战性。微软研究人员开发了一种干涉测量方法，该方法在《自然》杂志的论文中进行了描述，可以进行单次费米子奇偶校验测量。

这种读出技术实现了从根本上不同的量子计算方法，其中使用测量来执行计算。

Nayak 写道：“传统量子计算通过精确的角度旋转量子态，需要为每个量子位定制复杂的模拟控制信号。这使量子纠错 (QEC) 变得复杂，它必须依靠这些同样敏感的操作来检测和纠正错误。

“我们基于测量的方法大大简化了 QEC。我们完全通过由连接和断开量子点与纳米线的简单数字脉冲激活的测量来执行误差校正。这种数字控制使得管理实际应用所需的大量量子比特变得切实可行。”

微软显然对基于超导量子比特的拓扑量子计算机寄予厚望。所有模式都有优点和缺点。例如，捕获离子和中性原子具有较长的相干时间，但被认为运行缓慢。Transmon 超导量子比特非常快，但很容易受到噪声的影响。

微软认为，其拓扑导体是一种具有可扩展性、速度和抗错误能力的“金发姑娘”方法。

研究人员在路线图论文中写道：“对于具有数百甚至数千个逻辑量子比特、能够解决商业相关问题的实用级量子计算机来说，这里列出的量子比特方法具有几个关键优势。首先，单个量子比特的面积约为 5 µm× 3 µm，因此可以在单个晶圆上安装数百万个量子比特。其次，物理操作可以在µs时间尺度上执行，从而将实用级计算的运行时间缩短至数小时至数天。第三，拓扑保护可以系统性地、指数级地减少无量纲参数比中的许多错误机制，例如温度与拓扑间隙 ∆ /k B T 的关系以及拓扑相干长度 L/ξ 之间的线长。”

时间会证明一切。

Majorana 1 设备仍是一种研究设备。在回复电子邮件询问时，微软表示：“我们认为可扩展的机器将在几年内而不是几十年内问世。我们还致力于及时公开发表我们在此过程中的研究成果，同时保护公司的知识产权。今天，我们达到了量子路线图的第二个里程碑，展示了世界上第一个拓扑量子比特。我们已经在一个设计为容纳一百万个拓扑量子比特的芯片上放置了八个拓扑量子比特。”

目前，量子计算发展领域充满了强劲、多样化的努力，很难在提供大规模、实用的容错量子计算机的竞赛中阻碍参与者。

微软并不是唯一一家追求拓扑量子比特的公司。囚禁离子量子计算专家Quantinuum报告称，该公司将在 2023 年创建拓扑量子比特。此外，橡树岭国家实验室的量子科学中心 ( QSC ) 是美国《量子倡议法案》下设立的五个量子信息研究中心之一，其核心任务是开发能够支持拓扑量子计算的材料。

QSC 主任 Travis Humble 表示：“微软的成果是量子计算领域的重要进展。它们展示了拓扑超导纳米线设计中奇偶校验的测量结果。这是验证拓扑保护的第一步，应该开展更多工作来证明预期的非阿贝尔统计。我认为最新成果将增强拓扑量子计算领域的努力。”

重要的是要记住，量子纠错仍然是需要的，微软在其路线图中阐明了在其架构上实现 QEC 的方法。

[2025 年 2 月 19 日下午 4:12 更新]在今天宣布这一消息的前一周，Hyperion Research 高级副总裁兼首席量子分析师 Bob Sorensen 刚刚拜访了微软，他告诉 HPCwire：“与 Atom Computing、Quantinuum 和 Photonic 等公司之间一些较为放任的关系相比，这是微软真正的草根努力。他们的内部开发实验室令人印象深刻，能够处理设计和构建有效 QC 包所需的大部分生产工作。

“从根本上讲，这是一个有趣的架构，与现有的任何架构都不同，而且确实显示出一些真正的前景。关键在于，微软认为，既然他们现在有了一个量子比特，那么扩展到一百万个量子比特的其余问题就不会太难解决，尽管他们没有宣布时间框架。

“最终，这里最大的收获是，他们并不急于加入竞争，而是乐于按照自己的节奏前进，等待他们真正展示出真正的量子能力。这里的环境比我在其他 QC 商店看到的要稍微不那么忙碌。我想这是因为他们对长期资金流充满信心。”

最后，值得注意的是，Majorana 1 及其相关研究只是微软量子计算活动组合的一部分，其中大部分都归属于Azure Quantum旗下。最近，微软宣布计划推出一款采用 Atom Computing 的容错计算机，该计算机使用中性原子量子比特，并将利用微软的虚拟化逻辑量子比特功能。

摘要1 – 使用拓扑量子位阵列实现容错量子计算的路线图

我们描述了一个具体的设备路线图，该路线图基于抗噪声、拓扑保护的基于 Majorana 的量子比特，可实现容错量子计算架构。我们的路线图涵盖了四代设备：单量子比特设备，可实现基于测量的量子比特基准测试协议；双量子比特设备，使用基于测量的编织来执行单量子比特 Clifford 操作；八量子比特设备，可用于展示在逻辑量子比特上而不是直接在物理量子比特上执行双量子比特操作时的改进；拓扑量子比特阵列，支持在两个逻辑量子比特上进行晶格手术演示。实现此路径的设备需要支持拓扑相的超导体-半导体异质结构、量子点和这些量子点之间的耦合，这些耦合可以为干涉测量创建适当的环路，以及可以执行快速、低误差单次测量的微波读出系统。我们描述了这些量子比特设备的关键设计组件，以及用于演示单量子比特基准测试、Clifford 门执行、量子误差检测和量子误差校正的相关协议，这些协议与更传统的量子比特有很大不同。最后，我们评论了这种架构对实用级量子计算的影响和优势。

摘要 2 – InAs-Al 混合器件中的干涉单次奇偶校验测量

非阿贝尔任意子的融合是仅测量拓扑量子计算的基本操作。在一维拓扑超导体中，融合相当于确定马约拉纳零模式的共享费米子奇偶性。在这里，我们介绍了一种与未来融合规则测试兼容的设备架构。我们利用栅极定义的超导纳米线对砷化铟-铝异质结构中的费米子奇偶性进行了单次干涉测量。干涉仪是通过将邻近的纳米线与量子点进行隧道耦合而形成的。纳米线导致这些量子点的量子电容发生高达 1 fF 的状态相关偏移。我们的量子电容测量显示通量 h/2e 周期双峰性，在最佳通量值下，信噪比为 1/3.6 µs。从量子电容测量的时间轨迹中，我们提取了在平面磁场约为 2 T 时两个关联态的停留时间超过 1 毫秒。我们从拓扑平凡和非平凡起源的角度讨论了测量结果的解释。较大的电容偏移和较长的中毒时间使得奇偶校验测量的分配错误概率为 1%。