Microsoft 推出全球首款由拓撲量子位元驅動的量子處理器 Majorana 1

作者：技術研究員兼量子硬件企業副總裁Chetan Nayak

Majorana 1採用一種稱為拓撲導體（Topoconductor）的突破性材料，標誌著實用量子計算的變革性躍進。

 

量子計算機有望改變科學與社會，但前提是它們必須達到曾經看似遙不可及的規模，並透過量子誤差修正技術確保其可靠性。今天，我們宣佈在邁向實用量子計算的道路上取得重大進展：

  • Majorana 1—全球首款由拓撲核心驅動的量子處理單元（QPU），專為在單個晶片上擴展到一百萬個量子位元而設。
  • 一種受硬體保護的拓撲量子位元—今天在《自然》期刊上發表的一項研究，以及本週在Station Q會議上分享的數據，均展示了我們如何利用新型材料設計出一種全新的量子位元，這種量子位元體積小巧、快速，且可以數碼方式控制。
  • 邁向可靠量子計算的設備藍圖—從單量子位元設備到支援量子誤差修正陣列的發展路徑。

這些里程碑標誌著量子計算從科學探索邁向技術創新。

 

利用一種新型材料

今天的所有公告均建基於我們團隊最近的突破—世界上首個拓撲導體。這類革命性的材料使我們能夠創造拓撲超導態，一種在過往僅存於理論中的新物質狀態。進展源於 Microsoft 在閘極定義設備的設計和製造方面的創新，結合了半導體砷化銦和超導體鋁材質。當冷卻至接近絕對零度並經磁場調節時，這些設備可形成具有馬約拉納零模（Majorana zero modes， MZM）的拓撲超導納米線，這些MZM位於納米線的兩端。

圖1. 閲讀拓撲量子位元的狀態

 

近一個世紀以來，準粒子僅存在於教科書中。現在，我們可以透過拓撲導體，按需要創造和控制它們。MZMs是我們量子位元的構建塊，透過「奇偶性」儲存量子資訊——即納米線中是否包含偶數或奇數的電子。在傳統超導體中，電子會結合成庫珀對（Cooper pair），並在無阻力的情況下移動。任何未配對的電子都可被偵測到，因為它的存在需要額外的能量。但我們的拓撲導體則有所不同：在這裡，一個未配對的電子是由一對MZM共享，使其隱藏於環境之中。這種獨特的特性可保護量子資訊。

雖然這使我們的拓撲導體成為量子位元的理想候選者，但同時亦帶來了一個挑戰：我們要如何讀取如此隱蔽的量子資訊？例如，我們如何區分1,000,000,000和1,000,000,001個電子？

我們對這項測量挑戰的解決方案如下（見圖1）：

  • 我們使用數碼開關將納米線的兩端連接到一個量子點，一個可以儲存電荷的微小半導體設備。
  • 這種連結可增加量子點的電荷保持能力。最重要的是，確切的增幅取決於納米線的奇偶性。
  • 我們使用微波測量變化。量子點的電荷保持能力決定了微波如何從量子點反射出來。因此，微波會帶著納米線量子狀態的印記傳回。

在設計設備的過程中，我們確保這些變化足以單次完成可靠的測量。我們的初始測量誤差概率為 1%，但我們已經鎖定顯著減少誤差的明確途徑。

系統展現出顯著的穩定性。外部能量（如電磁輻射）可以破壞庫珀對，創造出未配對的電子，並將量子位元的狀態從偶數量子位元翻轉為奇數量子位元。然而，我們的結果顯示這種情況極為罕見，平均每毫秒僅發生一次。這表明包圍我們處理器的防護層有效地阻止了這種輻射。我們亦正在探索進一步改善這種情況的方法。

或許意料之內的是，量子計算需要我們設計一種專門推動它的新物質狀態。令人驚訝的是，我們的檢閱技術已經如此準確，證明我們正在利用這種嶄新的物質狀態進行量子計算。

 

通過數碼精準度改革量子控制

這種檢閱技術讓我們以截然不同的方式運用量子計算，將測量用於執行計算當中。

傳統的量子計算通過精確角度旋轉量子狀態，需要為每個量子位元定制複雜的模擬控制信號。由於量子誤差修正（QEC）必須依賴這些相同的敏感操作來檢測和修正錯誤，使其變得更為複雜。

我們以測量為首的方法大大簡化了QEC。我們完全透過簡單的數碼脈衝將量子點與納米線連接和斷開，藉此執行誤差修正。這種數碼控制方式使得管理大量用於現實生活應用的量子位元變得實際可行。

 

從物理學到工程學

圖2. 使用四重子實現容錯量子計算的路線圖。第一個面板顯示單量子位元設備。四重子通過兩條平行的拓撲線（藍色）形成，每端有一個MZM（橙色點），由一條垂直的超導線（淺藍色）連接。下一個面板顯示支持基於測量的編織變換的雙量位元設備。第三個面板顯示一個4×2的四重子陣列，支持在兩個邏輯量子位元上進行量子錯誤檢測演示。這些演示構建了量子誤差修正的基礎，例如在右側面板顯示的設備（27×13四重子陣列）上。

 

現時，隨著核心構建元件已經展示—以MZM編碼的量子資訊由拓撲保護，並通過測量處理。我們已預備好從物理學突破轉向實際應用。

下一步是圍繞一個稱為四重子的單量子位元設備的可擴展架構（見圖2）。在本週的Station Q會議上，我們分享了展示這種量子位元基本操作的數據。其中一項基本操作就是測量四重子中一條拓撲納米線的奇偶性，使用了我們在《自然》期刊中描述的相同技術。

另一個關鍵操作讓量子位元置於奇偶性狀態的疊加中。同時，這通過量子點的微波反射測量來完成，但在不同的測量配置中，我們將第一個量子點與納米線解耦，並將另一個量子點連接到設備一端的兩條納米線。通過執行Z和X兩項正交的Pauli測量，我們展示了以測量為基礎的控制—一個重要的里程碑，引領我們前往藍圖的下一步。

我們的藍圖目前有系統地朝可擴展的量子誤差修正（QEC）前進。下一步將涉及4×2的四重子陣列。我們會首先使用一個雙量子位元子集來演示糾纏和以測量為基礎的編織轉換。然後，我們將使用整個八量子位元陣列在兩個邏輯量子位元上實施量子錯誤檢測。

拓撲量子位元的內置錯誤保護簡化了QEC。此外，與以前的最先進方法相比，我們的自訂的QEC編碼將減少了大約十倍的開銷。這種顯著的減少意味著我們的可擴展系統可以由更少的物理量子位元建構，並且有可能以更快的時脈頻率運行。

解鎖量子的承諾

十八個月前，我們制訂了實現量子超級計算機的藍圖。今天，我們達到了第二個里程碑，展示世界上首個拓撲量子位元。我們已經在設計容納一百萬個量子位元的晶片上放置了八個拓撲量子位元。

一百萬量子位元的量子計算機不僅是一個里程碑，更是一個解決世界上最困難問題的其中一個出路。即使是現今最強大的超級計算機亦無法準確預測決定我們未來所需材料特性的量子過程。但這種規模的量子計算可以帶來創新，如修復橋樑中的裂縫的自我修復材料、可持續農業，及更安全的化學發現。今天需要數十億美元的徹底實驗搜索和濕實驗室實驗，可透過量子計算機上的計算找到。

我們邁向實用量子計算的道路是明確的。基礎技術已經獲得證明，我們亦相信架構是可擴展的。請繼續關注我們旅程的最新消息。

 

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作者簡介：

Chetan Nayak是技術研究員兼量子硬件企業副總裁。他帶領導Microsoft基於拓撲量子位元構建可擴展量子計算機的工作。