芝能智芯出品
微软发布了其最新的量子计算成果——Majorana 1 芯片，微软这家公司竟然在量子计算领域的竞争中，打下了自己的标签。
Majorana 1 芯片採用了独特的拓扑量子比特架构，利用马约拉纳零模式（MZM）构建量子比特，相较于谷歌Willow处理器和中国的Zuchongzhi 3.0等竞争对手的传统量子比特方法，展现出更高的稳定性和可扩展性潜力。
这是对量子计算硬件设计的重新思考，也为实现百万量子比特规模的量子超级计算机奠定了基础。
我们从技术创新与实现方式、与其他竞争对手的对比两个方面展开分析，并探讨Majorana 1 的未来意义与挑战。
Part 1
技术创新与实现方式
●拓扑量子比特的核心优势
Majorana 1 芯片的核心在于其拓扑量子比特设计，这种设计基于马约拉纳零模式（MZM），一种存在于拓扑超导纳米线末端的准粒子。
◎传统的量子比特，例如谷歌Willow和Zuchongzhi 3.0所使用的超导量子比特，容易受到环境噪声和干扰的影响，导致量子态的退相干。
◎而拓扑量子比特通过其拓扑性质，将量子信息编码在全局属性中，使其对局部扰动具有天然的抗干扰能力。
这种稳定性是微软选择这一路径的根本原因，正如微软量子硬件公司副总裁Chetan Nayak所言：“我们需要发明量子时代的晶体管，而稳定性是关键。”
Majorana 1 的拓扑量子比特通过铝纳米线以“H”形结构连接，每个“H”包含四个可控的马约拉纳粒子，构成一个量子比特。这种设计不仅提高了单个量子比特的稳定性，还通过类似瓷砖的平铺方式实现了芯片的可扩展性。
微软技术研究员Krysta Svore指出：“虽然创造这种新物质状态的过程复杂，但一旦实现，其架构就变得简单且易于扩展。”这种从复杂到简单的转变，是Majorana 1 在技术上的重要创新。
●材料工程与测量技术的突破
实现拓扑量子比特需要先进的材料工程支持。微软团队开发了一种由砷化铟（InAs）和铝（Al）组成的新型材料堆栈，通过超导特性诱导马约拉纳粒子的产生。
这一成果在《自然》杂志的论文《InAs-Al 混合设备中的干涉单次奇偶校验测量》中得到了详细阐述。材料的特殊组合与高质量的工艺流程，确保了马约拉纳粒子的稳定生成。
测量拓扑量子比特的状态同样具有挑战性。微软採用了数字开关将纳米线两端连接到量子点，通过微波测量量子点的电荷容量变化来推断纳米线的量子态。这种方法的独特性在于，利用量子点的电荷保持能力和纳米线的奇偶性实现了精确的量子态读出。
测量过程中，系统实现了仅1%的分配错误概率，这得益于大电容偏移和长中毒时间的设计。这种低错误率和高稳定性的测量方式，为后续的纠错和大规模应用提供了技术保障。
●架构设计与百万量子比特愿景
Majorana 1 的架构设计不仅关注单个量子比特的性能，还着眼于整体的可扩展性。
微软已经在单个芯片上集成了8个拓扑量子比特，并计划扩展到百万量子比特规模。Nayak强调：“无论在量子计算领域做什么，都需要一条通往百万量子比特的路径。”这种设计理念与传统方法形成了鲜明对比，后者往往更关注量子比特数量的短期增长，而非长期的可扩展性。
通过数字脉冲激活的测量机制，Majorana 1 还为纠错提供了可能性。数字控制方式能够灵活地连接和断开量子点与纳米线，使管理大规模量子比特阵列成为现实。这一特性为微软实现容错量子计算奠定了基础，尽管纠错技术仍需进一步完善。
Part 2
与其他竞争对手的对比
●谷歌Willow：量子纠错与计算速度的里程碑：谷歌的Willow处理器代表了超导量子计算的最新进展，拥有105个量子比特，并在量子纠错和计算速度上取得了显著突破。
Willow能够在不到五分钟内完成随机电路采样任务，而同样的任务对于传统超级计算机来说需要10的10次方年。这种指数级的计算优势展示了量子计算的潜力，尤其是在特定任务上的表现。
然而，Willow的超导量子比特对环境噪声敏感，需要极低的温度和复杂的屏蔽技术来维持量子态的稳定性，这限制了其在可扩展性上的进一步发展。
●祖冲之三号：高保真度与优化电路：中国科学技术大学的祖冲之三号同样採用超导量子比特，拥有105个量子比特，并在随机电路采样实验中展示了量子计算优势。
通过优化电路参数和芯片工艺，将单量子比特门的平均泡利误差降低至0.10%，类iSwap门的误差降低至0.38%，显示较高的运算保真度。
尽管如此，其设计仍面临与Willow相似的挑战，即如何在保持高保真度的同时实现量子比特数量的大幅增加。
与谷歌和祖冲之三号相比，Majorana 1 的拓扑量子比特方法呈现出截然不同的发展路线。
◎谷歌和UTSC的重点在于通过增加量子比特数量和优化纠错技术来展示量子优势，而微软则将稳定性与可扩展性置于首位。
◎拓扑量子比特的固有抗噪能力减少了对复杂纠错系统的依赖，使其在理论上更适合大规模集成。
◎此外，Majorana 1 的“H”形架构和平铺设计为芯片扩展提供了简洁的路径，而超导量子比特的复杂布线和冷却需求可能在百万量子比特规模上面临瓶颈。
Majorana 1 的技术尚处于早期阶段。尽管其理论优势明显，但实际性能（如计算速度和纠错能力）仍需更多实验验证，微软需要在后续发展中平衡理论创新与实际应用之间的差距。
小结
微软的Majorana 1 芯片通过拓扑量子比特的创新设计，为量子计算领域注入了一股新的活力。其对稳定性和可扩展性的关注，不仅是对现有技术的补充，也为未来的量子超级计算机指明了一条可能的道路。量子计算正进入一个多元发展的阶段，不同的技术路径各有优劣，共同推动着这一领域的进步。
原文标题 : 微软发布量子计算芯片！Majorana 1 的拓扑量子比特革命
