Microsoft 聲稱了一項重大的量子突破，但它有什么作用？

Microsoft 的研究人員已經宣布在設備中創建第一個“拓撲量子比特”，該設備將信息存儲在 Exotic 中物質狀態，這可能是量子計算.

與此同時，研究人員還發表了《自然》雜志上的一篇論文和一個”路線圖“進行進一步的工作。Majorana 1 處理器的設計應該可容納多達 100 萬個量子比特，這可能足以實現量子計算的許多重要目標，例如破解密碼和更快地設計新藥物和材料。

如果 Microsoft 的索賠成功，該公司可能已經超越了 IBM 和 Google 等競爭對手，而這些競爭對手目前似乎是引領比賽要構建量子計算機.

然而，經過同行評審的 Nature 論文只展示了研究人員所聲稱的部分內容，并且路線圖仍然包括許多需要克服的障礙。

雖然 Microsoft 的新聞稿展示了一些應該是量子計算硬件的東西，但我們沒有任何獨立確認它能做什么。盡管如此，來自 Microsoft 的消息還是非常有希望的。

到現在為止，您可能有一些問題。什么是拓撲量子比特？就此而言，量子比特到底是什么？為什么人們想要量子計算機首先？

量子比特很難構建

量子計算機最早是在 1980 年代出現的。普通計算機以比特存儲信息，而量子計算機以量子比特或量子比特存儲信息。

普通位的值可以是 0 或 1，但量子位（多虧了控制非常小粒子的量子力學定律）可以具有兩者的組合。

如果將普通位想象成可以向上或向下的箭頭，那么量子比特就是可以指向任何方向的箭頭（或所謂的向上和向下的“疊加”）。

這意味著量子計算機對于某些類型的計算將比普通計算機快得多，尤其是與解開代碼和模擬自然系統有關的計算。

目前為止，一切都好。但事實證明，構建真正的量子比特以及從中獲取信息是極其困難的，因為與外部世界的交互會破壞內部微妙的量子態。

研究人員嘗試了許多不同的技術來制造量子比特，使用諸如被困在電場中的原子或超導體中旋轉的電流漩渦之類的東西。

細小的電線和奇異的顆粒

Microsoft 采用了一種非常不同的方法來構建其“拓撲量子比特”。他們使用了所謂的馬約拉納粒子，該粒子由意大利物理學家埃托雷·馬約拉納 （Ettore Majorana） 于 1937 年首次提出理論。

馬約拉納斯不是像電子或質子那樣天然存在的粒子。相反，它們只存在于一種稱為拓撲的稀有材料中超導體（這需要先進的材料設計，并且必須冷卻到極低的溫度）。

事實上，馬約拉納顆粒是如此奇特，它們通常只在大學里研究，而不用于實際應用。

Microsoft 團隊表示，他們使用了一對細線來充當量子比特，每根線的兩端都有一個 Majorana 粒子。他們使用微波測量量子比特的值，即電子是位于一根導線中還是另一根導線中。

編織鉆頭

為什么 Microsoft 付出了所有這些努力？因為通過交換馬約拉納顆粒的位置（或以某種方式測量它們），它們可以被“編織”起來，這樣它們就可以無誤差地進行測量，并且能夠抵抗外部干擾。（這是“拓撲量子比特”的“拓撲”部分。

從理論上講，使用 Majorana 粒子制造的量子計算機可以完全擺脫困擾其他設計的量子比特錯誤。

這就是 Microsoft 選擇這樣一種看似費力的方法的原因。其他技術更容易出錯，可能需要將數百個物理量子比特組合在一起才能生成單個可靠的“邏輯量子比特”。

相反，Microsoft 將其時間和資源投入到開發基于 Majorana 的量子比特上。雖然他們是遲到的 Big Quantum 派對，他們希望能趕快趕上。

總有一個問題

與往常一樣，如果某件事聽起來好得令人難以置信，就會有一個陷阱。即使對于基于 Majorana 的量子計算機，例如 Microsoft 宣布的計算機，一項作（稱為 T 門）也無法在沒有錯誤的情況下實現。

因此，基于 Majorana 的量子芯片只是“幾乎沒有錯誤”。但是，校正 T 門誤差比其他量子平臺的一般誤差校正要簡單得多。

現在怎么辦？Microsoft 將嘗試推進其路線圖，穩步構建越來越大的量子比特集合。

科學界將密切關注 Microsoft 的量子計算處理器的運行方式，以及它們與其他已建立的量子計算處理器相比的性能。

與此同時，全球各地的大學將繼續對馬約拉納粒子的奇特和晦澀行為進行研究。

斯蒂芬·雷切爾， 物理學院教授，墨爾本大學

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