今天小編分享的科技經驗：二十年磨一劍，微軟剛發布的巴掌大量子芯片碾壓全球超算，馬斯克轉發力挺，歡迎閲讀。
在所有人都在談論 iPhone 16e 的國行價格時，微軟首發的量子計算芯片 Majorana 1 也化身科技圈的汪峰，被搶去了不少聲浪。
但作為科技圈的現象級新聞，被微軟 CEO 薩提亞 · 納德拉稱之為不是技術炒作，而是世界級科技的 Majorana 1，還是值得拿出來説道説道的。
包括馬斯克也激動地轉發納德拉的推文，并盛贊量子計算的突破越來越多，或許也從側面印證了 Majorana 1 的分量。
Majorana 1 巴掌大小，卻能解決全球超算難題？
Majorana 1 是全球首款采用拓撲核心架構的量子芯片，使用了微軟開發的全球首個拓撲導體。
字都認識，但連在一起就不懂了。
别急，在理解這句話之前，我們需要了解一個知識點——「拓撲導體」。
在我們的傳統認知中，物質主要以固體、液體和氣體三種狀态存在。而經過近 20 年的探索，微軟成功創造出第四種物質形态——拓撲态。
「拓撲」是一種很特别的科學原理，簡單來説，它能讓芯片裏的信息傳輸和存儲變得更加穩定，不容易出錯。微軟的科學家們開發出了一種全新的材料，叫「拓撲導體」。
微軟表示，就像半導體的發明讓如今的智能手機、計算機和電子設備為之誕生一樣，拓撲導體及其所支持的新型芯片，為量子系統的發展提供了一條可行的道路。
這種由砷化铟（半導體）和鋁（超導體）構建而成的拓撲導體，能在接近絕對零度的環境下形成拓撲超導态，為量子芯片提供了一個超級穩定的「骨架」，也讓其朝着更實用、更強大的方向邁進了一大步。
另一個需要掌握的知識點是量子比特。
在傳統計算機中，比特 只能表示 0 或 1，而量子計算機中的量子比特能夠同時表示 0 和 1，或介于兩者之間的任意狀态，從而帶來更強的計算能力。
然而，大多數類型的量子比特只能維持量子态極短的時間，通常僅為幾分之一秒，導致計算錯誤或者存儲的信息很快丢失。多年來，IBM、微軟和 Google 等公司一直在努力讓量子比特像二進制比特一樣穩定。
為此，微軟選擇了一條與 IBM、Google 等公司不同的道路——研發拓撲量子比特。他們認為，這種量子比特更穩定，所需的糾錯更少，從而在速度、規模和可控性方面具備優勢。
而這條道路主要依賴于一種從未被真正觀測到或制造出來的特殊粒子—— Majorana 粒子。
這種由理論物理學家 Ettore Majorana 在 1937 年首次提出的特殊粒子，并不存在于自然界中，只能在磁場和超導體的特定條件下被「誘導」產生。由于制造這種粒子所需的材料研發難度極大，大多數量子計算研究團隊選擇了放棄這條路徑，轉而研究其他類型的量子比特。
然而，微軟的 Majorana 1 聲稱取得了關鍵性突破。
他們開發的拓撲導體成功實現了兩個目标，一個是能夠在特定條件下誘導出 Majorana 粒子，另一個則是能夠精确控制這些粒子的行為，從而構建出穩定性和可靠性都遠超傳統方案的量子比特。
在此基礎上，微軟團隊在測量技術上也實現了重大進展。
微軟研究團隊開發了一種通過數字脈衝控制的精确測量方法，能夠檢測出超導線中電子數量的奇偶性變化（即單個電子的差異），從而實現對量子比特狀态的高精度讀取。
想象你有一罐彈珠，但這罐彈珠特别特别小，小到肉眼根本看不見。現在你需要知道罐子裏是單數個還是雙數個彈珠，而且要特别準确，差一個都不行。
微軟團隊通過發送一些特殊的電信号（就像用手電筒的光去照），就能精确地告訴你罐子裏的彈珠是單數還是雙數，在量子計算機裏，我們需要精确知道每個量子比特的狀态（就像知道彈珠的數量），這樣才能确保計算是準确的。
如果連這些最基礎的信息都讀不準，那量子計算機就像是一個算錯題的計算器，毫無用處。
Majorana 1 芯片推出的同一天，相關研究論文也在《Nature》上發表。
自 2005 年微軟技術研究員 Nayak 加入并開始研究這一難題以來，已經歷時近 20 年，跨越多任 CEO、不同管理團隊和多個領導層，光這篇《Nature》論文就包含了 160 多位研究人員、科學家和工程師的名字。
▲附上論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2
與大多數芯片公司依賴台積電等制造商不同， Majorana 1 的核心組件只會由微軟在美國自主制造。核心原因在于目前的研發仍處于小規模實驗階段，無需也很難做到大規模代工生產。
在物理實現上，Majorana 1 采用了獨特的 H 形結構設計，每個結構包含四個可控的 Majorana 粒子，能夠像瓷磚一樣在芯片上擴展。這種設計使得量子比特在保持穩定性的同時，能夠實現更小的體積和更高的集成度。
每個拓撲量子比特尺寸僅有 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 個量子比特，而芯片的量子比特越多，它的能力就越強。
納德拉更是宣稱，這塊可以輕松握在掌心的芯片，能夠解決當今地球上所有超級計算都無法突破的難題。
不過，微軟執行副總裁 Jason Zander 在接受 CNBC 采訪時表示：「在讨論商業可靠性之前，我們希望先實現幾百個量子比特。」
為了實現大規模的量子計算，微軟未來計劃在單個芯片上集成百萬量子比特，甚至有望直接部署在 Azure 數據中心内。對此，馬裏蘭大學物理學家 Sankar Das Sarma 的評價則是正确的、中肯的、一針見血的：
拓撲量子比特最大的劣勢在于，它仍然更像是一個物理學問題，但如果微軟今天的所有聲明都屬實……那麼也許物理階段正接近尾聲，而工程實現的階段即将開始。
百萬量子比特超算或提前到來，微軟熬出頭了？
「無論在量子計算領網域做什麼，都必須有一條通往百萬量子比特的明确路徑。否則，在真正達到能夠解決那些推動我們前進的重要問題的規模之前，就會遇到瓶頸，而我們，已經找到了這條道路。」
微軟技術研究員 Chetan Nayak 如上説道。量變引起質變，容納百萬量子比特也只是量子計算機的最低門檻。倘若 Nayak 所言不虛，那将會帶來什麼影響呢？
微軟官方在博客中列舉了幾個例子：
幫助研究材料腐蝕和裂紋的成因，推動自我修復材料的發展，比如修復橋梁或飛機部件的裂縫、碎裂的手機螢幕，甚至被劃傷的車門。
計算催化劑的分子特性，将塑料污染物分解為有價值的副產品，甚至直接開發無毒的替代材料。
精确模拟酶的作用機理，使其應用更加高效，從而提高土壤肥力，提升糧食產量，或在惡劣氣候條件下促進農作物的可持續生長，從而幫助解決全球飢餓問題。
最重要的是，量子計算能夠讓工程師、科學家、企業以及其他領網域的專業人士在第一時間精準設計出理想的產品，從而徹底改變從醫療保健到產品開發等各個行業。
當量子計算的強大能力與 AI 工具結合後，人們可以用簡單直白的語言描述自己想要創造的新材料或新分子，并立即獲得可行的答案，無需猜測，也無需反復試驗多年。
用微軟量子計算負責人 Matthias Troyer 的話來説：
「任何從事制造的公司，都可以在第一次嘗試時就完美設計出產品，量子計算機會直接給出答案。量子計算機能教會 AI 『自然界的語言』，從而讓 AI 直接告訴你，如何配制出你想要的東西。」
盡管已經解決了許多科學和工程上的難題，但收獲成熟的果實還需要幾年時間。微軟技術研究員 Krysta Svore 提到，實現拓撲态物質的材料堆疊是整個過程中最困難的部分之一。
如開篇所説，微軟的拓撲導體由砷化铟制成，而不是傳統的硅材料。砷化铟具有特殊的物理性質，适用于紅外探測器等應用。通過極低温使其與超導性結合，形成了一種混合材料。
微軟通過逐個原子的方式「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，量子比特的性能會受到嚴重影響。
一個「先有雞還是先有蛋」的問題就出現了，如果要制造更好的量子計算機，我們需要更完美的材料，但要理解如何制造更完美的材料，我們又需要量子計算機的幫助
不過，量子超級計算機的到來或許也不用等很久。根據微軟制定的路線圖，我們總結了幾個關鍵點：
展示世界上第一個拓撲量子比特，并在單個芯片上集成了 8 個拓撲量子比特。
計劃構建一個 4 × 2 的量子比特陣列，用于演示量子糾纏和量子錯誤檢測。
最終實現單芯片集成百萬量子比特，打造量子超級計算機，并推動量子計算的實用化。
另一方面，美國國防高級研究計劃局（DARPA） 已選擇微軟作為進入「未充分開發的公用事業規模量子計算系統」（US2QC）最終階段的兩家公司之一。
這一計劃是 DARPA 更大範圍的量子基準測試計劃的一部分，旨在驗證是否能夠在 2033 年前構建出具有實用價值的量子計算機。
換句話説，微軟預計将在幾年内（而非幾十年）構建基于拓撲量子比特的容錯原型量子計算機。
有生之年系列再 +1。
當然，也不是所有人都看好這一發展速度。英偉達 CEO 黃仁勳曾在年初的 CES 2025 上公開表示，距離量子計算機的實用落地至少還有 20 年的時間。
如果你説 15 年内就能制造出非常有用的量子計算機，那可能有點早。如果你説 30 年，那可能已經晚了。如果你説 20 年，我想我們很多人都會相信。
黃仁勳的潑冷水也不全然出于競争考慮，量子計算需要 GPU 進行混合計算模拟和算法優化，而英偉達的 GPU 可增強量子計算機的 AI 泛化能力，亦可相輔相成。
作為補充，美國初創公司 PsiQuantum 是 DARPA 選定的另一家企業，其量子計算技術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，建設一個全規模量子計算系統。
關于微軟的拓撲量子比特，還有一個不得不提的《Nature》撤稿故事。
長期以來，科學家一直在尋找 Majorana 粒子的存在證據，2012 年，Leo Kouwenhoven 及其國際團隊發表論文，首次在實驗上暗示了 Majorana 粒子的存在。
該研究也被 Physics World 評為當年年度十大突破之一。
到了 2016 年，微軟設立 Microsoft Quantum Lab 并聘請 Kouwenhoven 擔任主任，以推進 Majorana 量子比特的研究。兩年後，他們的努力似乎迎來了重大突破，在《Nature》發表了一篇轟動性論文。
這篇論文提到，他們在 0.02 K 的極低温環境下，觀察到兩個電子在納米線的末端成對存在，其中一個電子位于半導體部分，另一個電子位于超導層。
但問題是，他們只能證明其中一對電子的存在，卻無法證明另一對電子的存在，而後者是形成 Majorana 量子比特的必要條件。
面對科學界的質疑聲，Kouwenhoven 團隊重新分析了原始數據，并重新搭建實驗裝置以校準某些參數。結果發現，此前的論文實驗結果難以復現。
2023 年，《Nature》正式發布撤稿聲明，Kouwenhoven 團隊也以實事求是的态度承認了論文在科學嚴謹性上的不足，并向學術界致歉。
深入調查顯示，研究團隊沒有造假，但也确實存在數據篩選和實驗誤差。
據悉，這一撤稿後續引發了學術界對量子計算研究「過度炒作」的大量讨論，這也是微軟 CEO 會在 X 平台的發文中特意強調 Majorana 1 的發布并非炒作的重要原因。
當然，量子計算研究極其復雜，那次撤稿也并未否定 Majorana 量子比特技術路線的可行性。而相比于 2018 年發布的那篇論文，七年後的今天，「執拗」的微軟或許用 Majorana 1 改寫了那個未完成的故事。
