微軟的量子芯片靈感來自有遠(yuǎn)見的物理學(xué)家

意大利物理學(xué)家Ettore Majorta的理論對(duì)量子計(jì)算(QC)的深遠(yuǎn)影響。在1937年，在量子力學(xué)引起的概念上的動(dòng)蕩之中，Majoraana假定存在神秘的顆粒的存在(現(xiàn)在稱為Majorana fermions(MFS))，標(biāo)題為“ Teoria Simmetrica dell'eletrone e del potitrone e del potitrone e del potitrone”(“對(duì)電子和potitron and Potitron和Potitron”)。這些所謂的準(zhǔn)粒子在冷凝物質(zhì)系統(tǒng)中出現(xiàn)，而不是作為基本顆粒存在，為開創(chuàng)性的Qubits鋪平了道路。準(zhǔn)粒子是一種集體現(xiàn)象，而不是單個(gè)的自由粒子。

在2025年，在Majorana在31歲時(shí)的神秘失蹤之后的87年， Microsoft宣布其量子芯片(稱為，適當(dāng)，Majorana 1)，這是對(duì)這位輝煌但內(nèi)向的理論家大膽的愿景的非凡致敬。

費(fèi)米子，玻色子和Majorana方程

基本顆粒分組為費(fèi)米和玻色子。費(fèi)米子具有諸如電子，中子，質(zhì)子和中微子之類的質(zhì)量，但也具有夸克(夸克) - 質(zhì)子和中子的成分。此外，費(fèi)米子表現(xiàn)出半刻旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)，這意味著它們的內(nèi)在角動(dòng)量可以是1/2，–1/2、3/2等。他們遵守費(fèi)米 - 迪拉克統(tǒng)計(jì)和Pauli排除原則，該原理沒有兩個(gè)費(fèi)米子可以同時(shí)占據(jù)同一量子狀態(tài)。

玻色子(帶有整數(shù)自旋的無質(zhì)量和巨大)是介導(dǎo)基本力的顆粒，例如電磁場(chǎng)的光子和強(qiáng)力的振動(dòng)，它將質(zhì)子和中子緊密地結(jié)合在細(xì)胞核內(nèi)。希格斯玻色子(Higgs Boson)是遍布整個(gè)宇宙的希格斯場(chǎng)的激發(fā)，在給質(zhì)量質(zhì)量中起著至關(guān)重要的作用。

Majoraana通過提出替代Dirac優(yōu)雅配方方程的替代方案來支持他的理論，這是第一個(gè)成功的框架統(tǒng)一特殊相對(duì)論和描述電子和其他費(fèi)米子的量子力學(xué)。

但是，這樣的物理學(xué)家在不知不覺中為現(xiàn)代科學(xué)中一些最令人興奮的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，從中微子物理學(xué)到追求拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)，例如Microsoft的Majorana 1芯片。

DIRAC方程由四個(gè)耦合組件組成，并采用了旋轉(zhuǎn)器，這是一種特殊的波函數(shù)，描述了粒子的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)及其位置和動(dòng)量。

Majoraana提出了一個(gè)實(shí)用值的解決方案，而不是一個(gè)復(fù)雜的解決方案，將其降低到兩個(gè)獨(dú)立的方程對(duì)，每個(gè)方程都描述了一個(gè)沒有凈電荷的半旋轉(zhuǎn)粒子。這表明粒子(如果存在)是其自身的反粒子。與狄拉克方程不同，dirac方程式將粒子與其反粒子交換，將其應(yīng)用于Majorana方程，返回同一粒子。電荷共軛是量子場(chǎng)理論中的一個(gè)基本對(duì)稱性操作，它通過反轉(zhuǎn)其電荷和其他添加劑量子數(shù)將粒子轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的反粒子，但質(zhì)量和自旋除外。

盡管準(zhǔn)顆粒不是真正的基本，但它們與理論MFS正式遵守相同的數(shù)學(xué)方程式。在高能物理學(xué)中，MF是指尚未發(fā)現(xiàn)的假設(shè)基本顆粒 - 中靜脈是潛在的候選者。確認(rèn)這一點(diǎn)的一種方法是檢測(cè)稀有的無中微子雙β衰減，從而將核轉(zhuǎn)化為兩個(gè)中子變成兩個(gè)質(zhì)子，從而排放兩個(gè)電子，但沒有中微子。通常，釋放了兩個(gè)抗神經(jīng)藥，但是如果中微子是自己的反顆粒，它們可能會(huì)互相取消，這意味著不會(huì)發(fā)出中微子。

在研究大量相互作用粒子的凝結(jié)物理學(xué)中，MF是指列葉片 - 表現(xiàn)為MFS的綜合激發(fā)。但是，這些狀態(tài)從根本上與高能對(duì)應(yīng)物不同，并以特殊材料(例如拓?fù)涑瑢?dǎo)體)出現(xiàn)。

Majorana 1量子芯片

微軟揭開了Majoraana 1，這是一個(gè)開創(chuàng)性的量子加工單元，旨在在單個(gè)棕櫚大小的芯片上擴(kuò)展到一百萬噸。利用MFS啟用的拓?fù)淞繕牵鰪?qiáng)了誤差校正并進(jìn)步易于故障QC。 Microsoft聲稱，作為國(guó)防高級(jí)研究項(xiàng)目局(DARPA)的US2QC計(jì)劃的一部分，在幾年而不是數(shù)年之內(nèi)構(gòu)建可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)的正軌。

Majorana 1以此為核心利用了一種新的物質(zhì)狀態(tài)，微軟將其命名為Atopoconductor，類似于拓?fù)涑瑢?dǎo)體。當(dāng)冷卻在0 K接近0 K并受到特定的磁場(chǎng)時(shí)，該材料結(jié)合了砷化胺和鋁，形成拓?fù)涑瑢?dǎo)納米線。這些納米線在其末端構(gòu)成了Majora零模式(MZM) - 構(gòu)成拓?fù)淞孔踊A(chǔ)的Quasiparticles。

雖然超導(dǎo)性發(fā)生在整個(gè)拓?fù)涑瑢?dǎo)體中，但其表面支持金屬樣的導(dǎo)電狀態(tài)，其中準(zhǔn)粒子在邊緣或渦旋處出現(xiàn)，后者是拓?fù)淙毕荨＿@是集體拓?fù)?或非本地)行為的直接結(jié)果，而不是個(gè)體基本顆粒的特性。

量子信息通過奇偶校驗(yàn)存儲(chǔ)在MZM中，無論電線均具有均勻數(shù)量的電子。在傳統(tǒng)的超導(dǎo)體中，電子結(jié)合到庫(kù)珀對(duì)(負(fù)責(zé)超導(dǎo)性的結(jié)合電子對(duì))，并且沒有阻力漂移，未配對(duì)的電子需要額外的能量才能檢測(cè)到。 Microsoft topocoductor的不同之處在于，在兩個(gè)MZM之間共享一個(gè)未配對(duì)的電子，使其對(duì)環(huán)境看不見，并固有地受到了侵蝕性的保護(hù)。

Majorana零模式

MZM提供了 出色的穩(wěn)定性和誤差抗性，這對(duì)于可伸縮質(zhì)量控制至關(guān)重要。 “零”的名稱反映了其在費(fèi)米水平上的零能量狀態(tài)，即在0 K處的最高占用能量狀態(tài)，標(biāo)志著被占用和未占用的電子狀態(tài)之間的邊界，從而確保免疫對(duì)波動(dòng)的免疫力。居住在超導(dǎo)間隙內(nèi)，它們不受噪音和耗散的影響。在缺陷，邊緣或渦旋處定位，它們避免與其他狀態(tài)混合，從而最大程度地減少腐蝕性。

非亞伯統(tǒng)計(jì)

在量子力學(xué)中，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)描述了粒子在交換或編織時(shí)的行為方式(相互移動(dòng))。大多數(shù)基本顆粒遵守玻色癥 - 亞伯式或費(fèi)米尼 - 亞伯特統(tǒng)計(jì)。但是，在拓?fù)涑瑢?dǎo)體中，準(zhǔn)粒子遵循非亞伯統(tǒng)計(jì)，這意味著它們的量子狀態(tài)的變化取決于交換順序，而不僅僅是最終配置。

實(shí)際上，對(duì)于玻色子，掉期后的波函數(shù)保持不變。對(duì)于費(fèi)米子，當(dāng)兩個(gè)粒子交換時(shí)，波函數(shù)會(huì)翻轉(zhuǎn)，因此將它們交換兩次將系統(tǒng)返回到其原始狀態(tài)。

MZMS遵守非亞伯統(tǒng)計(jì)，這意味著交換兩個(gè)相同的準(zhǔn)粒子將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為新的量子狀態(tài)，而不是將其返回到原始狀態(tài)。該屬性通過編織實(shí)現(xiàn)量子操作 - 以受控方式對(duì)MZM進(jìn)行交換。由于量子信息是在多個(gè)MZM上非局部編碼的，因此它固有地對(duì)小誤差具有抗性，使其非常適合容忍故障的QC。

如何處理和讀取量子信息

微軟已經(jīng)實(shí)施了一種新型技術(shù)，可以讀取兩個(gè)毫克之間編碼的量子信息。數(shù)字開關(guān)將納米線的兩端連接到量子點(diǎn)，這是一個(gè)小的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，能夠存儲(chǔ)小電荷。

這種耦合會(huì)影響量子點(diǎn)的充電能力，這取決于納米線的奇偶校驗(yàn)。為了測(cè)量這一點(diǎn)，微波在量子點(diǎn)處被束縛，并且反射的信號(hào)揭示了與電子平價(jià)相對(duì)應(yīng)的量子狀態(tài)。如果電荷變化足夠大，則測(cè)量誤差概率仍然很低(?1%)，而微軟旨在在將來的迭代中進(jìn)一步減少它。

該系統(tǒng)還可以抵抗外部噪聲。如果電磁輻射破壞了庫(kù)珀對(duì)，則可能會(huì)出現(xiàn)未配對(duì)的電子，可能會(huì)將Qubit狀態(tài)從偶數(shù)變?yōu)槠鏀?shù)。但是，微軟報(bào)告說，這一事件很少見，平均每毫秒一次。

此外，這種基于測(cè)量的方法顯著改善了量子誤差校正。整個(gè)錯(cuò)誤校正過程是通過由數(shù)字脈沖觸發(fā)的測(cè)量步驟執(zhí)行的，該測(cè)量步驟通過數(shù)字脈沖觸發(fā)，該步驟動(dòng)態(tài)連接并斷開量子點(diǎn)與納米線。這種數(shù)字控制的方法對(duì)于管理大量Qubits是更有效的，這是現(xiàn)實(shí)世界中量子處理器的關(guān)鍵要求。

Majorana 1類籌碼的前景

微軟最近對(duì)Majorana 1 Chip的揭幕，伴隨著Microsoft首席執(zhí)行官Satya Nadella的著名評(píng)論，后者將新物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)描述為一種關(guān)鍵的開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)了更穩(wěn)定的Qubits。

微軟在很大程度上完成了基礎(chǔ)研究，并迅速促進(jìn)了工程實(shí)施，并在設(shè)計(jì)和編程方面進(jìn)行了優(yōu)化。

一些專家警告不要對(duì)此類進(jìn)步過度樂觀，因?yàn)橥ㄍ煽康馁|(zhì)量控制之路仍然充滿了挑戰(zhàn)和技術(shù)障礙。然而，Majorana 1芯片可以通過其創(chuàng)新的量子處理能力來徹底改變多個(gè)領(lǐng)域。

其有希望的應(yīng)用之一是對(duì)復(fù)雜過程的優(yōu)化，包括供應(yīng)鏈物流，制造和材料科學(xué)，尤其是在發(fā)現(xiàn)新藥中，通過以前所未有的規(guī)模和速度模擬分子相互作用。

QC還可以增強(qiáng)AI算法，從而使機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析更快，更有效。來自基于拓?fù)涞挠?jì)算的另一個(gè)關(guān)鍵區(qū)域是加密圖，在此過程中，增強(qiáng)的加密技術(shù)將使數(shù)據(jù)傳輸更加安全和有彈性。

此外，量子的進(jìn)步可以顯著改善氣候建模，從而可以進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)并提供對(duì)極端天氣事件的早期警告。

微軟表示，一百萬倍的 機(jī)器可以實(shí)現(xiàn)開創(chuàng)性的壯舉，例如為飛機(jī)和催化劑設(shè)計(jì)自我修復(fù)材料，以將塑料回收到有用的副產(chǎn)品中。它還可以賦予生物學(xué)家提取促進(jìn)土壤生育能力，支持可持續(xù)糧食生產(chǎn)并解決全球饑餓的酶。