防走失，电梯直达

来源：光子盒

作者：光子盒

继谷歌Willow之后，微软再放大招！

2月19日，微软推出了一款革命性的新型量子芯片——Majorana 1。微软表示，这将“把实现实用容错计算的时间从几十年缩短至短短几年”。这款芯片以难以捉摸、其存在常遭质疑的准粒子（马约拉纳费米子）命名，它具备诸多显著优势，包括固有的容错性、理论上的稳定性和较长的相干时间。相关论文于当日发表于《Nature》。

微软称这款新设备为“世界上首个拓扑超导体”，这是一种突破性的材料，能够观测和控制马约拉纳粒子，进而制造出更可靠、可扩展的量子比特，而量子比特正是量子计算机的基石。微软表示，在单个马约拉纳芯片上集成一百万个量子比特是可行的。

图：Majorana 1

来源：微软

近17年来，在行业的诸多质疑声中，微软一直在探索神秘的马约拉纳费米子。如今的成果是其高风险高回报项目的收获，或许也为大规模容错量子计算开辟了一条更清晰的道路。

随着铺天盖地的媒体头条一同抵达战场的，还有不少业内专家的质疑声——

世界上首个由拓扑核心驱动的量子处理单元

微软量子硬件技术研究员兼企业副总裁Chetan Nayak发表博客介绍了这项工作和新设备。他特别介绍了微软团队的以下新进展：

  • Majorana 1

世界上首个由拓扑核心驱动的量子处理单元（QPU），旨在实现单个芯片上集成一百万个量子比特。

  • 硬件保护的拓扑量子比特

当天发表于《Nature》杂志的研究成果，以及本周在量子计算研究中心（Station Q）会议上分享的数据表明，利用新型材料设计出一种截然不同的量子比特成为可能，这种量子比特体积小、速度快，且可数字控制。

  • 可靠量子计算的设备路线图

微软团队于2月17日在arXiv平台发表《使用拓扑量子比特数组进行容错量子计算的路线图》，详细描述了从单量子比特设备到支持量子纠错的阵列的发展路径。

  • DARPA支持，打造世界首个基于拓扑量子比特的容错原型机（FTP）

微软表示“将在几年（而非几十年）内打造出可扩展量子计算机的容错原型机”，这也是美国国防部高级研究计划局（DARPA）计划的一部分。微软是受邀进入DARPA公用事业规模量子计算未充分开发的系统（US2QC）计划最后阶段的两家公司之一（另一家为光量子计算公司PsiQuantum），该计划构成了DARPA更大的量子基准测试计划。这项计划旨在提供业界第一台公用事业规模的容错量子计算机，或者计算价值超过其成本的量子计算机。

图：材料堆叠与电子显微图像。a. 栅极定义的超导纳米线器件设计的横截面。b. 扫描电子显微镜图像，其中铝带（蓝色）、第一栅极层（黄色）和第二栅极层（紫色）以伪彩色标出。比例尺为1微米。

来源：Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices

Nayak强调：“今天所有的成果都建立在我们团队最近的突破之上：世界上首个拓扑超导体。这类具有革命性的材料使我们能够创造出拓扑超导性，这是一种此前仅存在于理论中的新物质状态。进展源于微软在栅极定义器件的设计与制造方面的创新，该器件将半导体砷化铟和超导体铝结合在一起。当冷却至接近绝对零度并通过磁场进行调节时，这些器件会形成拓扑超导纳米线，在纳米线的两端产生马约拉纳零模（MZMs）。”

马约拉纳费米子是一种准粒子或特殊的物质状态，它对会导致量子计算机出错的环境噪声具有固有抗性。基于马约拉纳费米子的量子比特被称为拓扑量子比特，大致来说，这意味着信息（0和1）在空间中分布（编织），使其对噪声（热、电磁干扰等）的敏感性降低。

“近一个世纪以来，这些准粒子仅存在于教科书里。如今，我们能在拓扑超导体中按需创造并控制它们。马约拉纳零模是我们量子比特的基本组成部分，通过‘宇称’（即纳米线中电子数的奇偶性）来存储量子信息。一个未配对电子由一对马约拉纳零模共享，使其不会被外界环境‘察觉’，这种独特性质保护了量子信息。”

图：Chetan Nayak

来源：微软

量子科学中心主任Travis Humble表示：“微软的成果是量子计算领域的重要进展。他们展示了在拓扑超导纳米线设计中进行宇称测量的成果。这是验证拓扑保护的第一步，后续还需要更多工作来证明预期的非阿贝尔统计特性。我认为这些最新成果将推动拓扑量子计算领域的发展。”

对此，清华大学物理系刘东副教授认为，这是一项“很出色的进展”，但要构建拓扑量子比特，需要先在器件上做直接Majorana现象学验证，然后再读取信息，只有这样学术界才会更加认可。相对于超导量子计算、中性原子量子计算和离子阱量子计算而言，拓扑量子计算尚未到实用化的讨论阶段，需要持续投入，有可能在未来容错量子计算阶段起到作用，器件优化可作为未来的一个可能突破点。

需要牢记的是，量子纠错仍然不可或缺，微软在其路线图论文中详细阐述了在其架构中实现量子纠错的方法。

撤稿事件&重大突破：微软面临两大质疑——

除了铺天盖地的媒体赞誉外，社交媒体上也出现了出一些业内专家质疑的声音。

John Preskill是量子信息科学领域的知名科学家，他创造了“含噪声中等规模量子”（）“量子霸权”（quantum supremacy）等当前广为人知的量子计算概念。Majorana 1发布后，他在X上发文表示：“目前没有公开证据表明该测试已成功运行，希望我们很快能听到更多消息”。

来源：X

此外，Preskill还转发了加州理工学院理论物理学教授Jason Alicea的观点。“我质疑微软是否真的构建了拓扑量子比特。原则上，拓扑量子比特是可行的，而且大家都认同这是一个值得追求的目标，”Alicea博士表示，“不过，你必须验证一个设备是否能以理论所预测的所有奇妙方式运行；否则，对于量子计算而言，现实情况可能就没有那么乐观了。幸运的是，微软现在已经准备好去尝试了。”

还有一些更加激进的声音，声称微软在进行“科学欺诈”，将不可靠的物理主张升级至量子比特层面。

  • 质疑1：微软拓扑量子计算团队的撤稿风波

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故事要从两次撤稿说起。

2021年3月，当时的微软员工、代尔夫特理工大学（TU Delft）Leo Kouwenhoven研究团队主动要求将2018年的一篇论文从《Nature》撤稿，原因是“技术错误”。那篇发表于2018年的论文曾轰动一时——被认为最终找到了马约拉纳费米子存在的确凿证据，为更先进的拓扑量子计算铺平了道路。

然而，该论文却受到质疑，经邀请的同行知名专家独立调查后被证实存在样本质量虚报、选择性数据采集、分析过程人为操控等操作，且结论并不成立。

2022年4月，Kouwenhoven团队的论文再次被《Nature》撤稿，原因是“关键数据遗漏”。

在第一次撤稿中发起调查的匹兹堡大学物理学家Sergey Frolov曾发文表示：“一系列的错误开始之后，马约拉纳研究领域有相当一部分人在自欺欺人。一些声称发现了马约拉纳粒子的关键实验，最初被认为是突破性的，但尚未得到证实。”

  • 质疑2：拓扑量子比特主张缺乏科研基础支撑

有研究者认为，拓扑量子比特的优势“最多停留在理论假设层面”。

Sergey Frolov表示：“拓扑量子比特的理论基础建立在马约拉纳费米子这一未被充分验证的物理概念之上。科学界至今仍在探索其制备与检测方法，但微软却宣称‘已实现近十年的马约拉纳粒子操控’。”

“微软关于拓扑量子比特的声明基于存在根本缺陷的马约拉纳粒子识别方案，该方案滥用非定域性测量技术伪造所需的‘能隙’参数。所有技术突破均建立在不可靠的材料科学与纳米制造进展声明之上。即便采信其表面数据，最新论文仍无法提供量子比特存在的实质证据。”

微软的下一步？“预计可扩展的量子计算机将在几年内问世”

据介绍，微软的拓扑量子计算路线图涵盖四代设备：一款单量子比特设备，支持基于测量的量子比特基准测试协议；一款双量子比特设备，利用基于测量的编织操作来执行单量子比特Clifford门操作；一款八量子比特设备，用于展示在逻辑量子比特而非直接在物理量子比特上执行双量子比特操作时的性能提升；以及一个拓扑量子比特阵列，支持在两个逻辑量子比特上进行晶格手术演示。

图：利用tetrons实现容错量子计算的路线图

来源：Roadmap to fault tolerant quantum computation using topological qubit arrays

创造和控制马约拉纳费米子只是挑战的一部分——开发一种实用的量子比特测量和读取方法同样具有挑战性。微软的研究人员开发出一种干涉测量方法，该方法在《Nature》的论文中有所描述，可实现单次费米子宇称测量。

这种读取技术为量子计算带来了一种截然不同的方法，即通过测量来进行计算。传统量子计算通过精确的角度旋转量子态，这需要为每个量子比特定制复杂的模拟控制信号。这使得量子纠错（QEC）变得复杂，因为量子纠错必须依赖这些同样敏感的操作来检测和纠正错误。

基于测量的方法极大地简化了量子纠错。微软团队完全通过由简单数字脉冲激活的测量来进行纠错，这些数字脉冲用于连接和断开量子点与纳米线。这种数字控制使得管理实际应用所需的大量量子比特变得可行。

显然，微软对基于超导量子比特的拓扑量子计算机寄予厚望。微软认为其拓扑超导体是一种兼具可扩展性、速度和抗错性的理想方案。

研究人员在路线图论文中写道，对于一台具有数百（甚至数千）个逻辑量子比特、能够解决商业相关问题的实用规模量子计算机而言，这里提出的量子比特方案具有几个关键优势：

1.单个量子比特面积约为 5μm×3μm，这使得在单个晶圆上集成数百万个量子比特成为可能；

2.物理操作可在微秒时间尺度上完成，从而将实用规模计算的运行时间缩短至数小时到数天的范围；

3.拓扑保护能够系统地、指数级地降低许多误差机制，比如在无量纲参数比中，如拓扑能隙与温度的比值∆/kBT，以及纳米线长度与拓扑相干长度的比值 L/ξ。”

时间会给出答案。

Majorana 1目前仍处于研究阶段。在回复一封电子邮件询问时，微软表示：“我们预计可扩展的量子计算机将在几年内问世，而非几十年。”

Hyperion Research研究高级副总裁兼首席量子分析师Bob Sorensen表示：“与微软同Atom Computing、Quantinuum和Photonic的合作模式相比，这次是微软真正自主开展的工作。他们的内部开发实验室令人印象深刻，有能力处理设计和构建可用量子计算组件所需的大部分生产工作。”

图：微软一间实验室的无尘室，其主要工作是验证在其他地方制造的量子计算组件。

来源：纽约时报

“从根本上讲，这是一种有趣的架构，与其他现有架构截然不同，未来确实会展现出一定的潜力。关键在于，虽然微软并未提及具体的时间框架，但他们认为，既然已经制造出一个量子比特，那么扩展到一百万个量子比特的其余问题不会太过艰巨。”

最后值得一提的是，Majorana 1及其相关研究只是微软量子计算业务的一部分，其中大部分业务都归在Azure Quantum的框架之下。最近，微软宣布计划推出一款容错计算机，该计算机将使用中性原子量子比特，并利用微软的虚拟化逻辑量子比特技术。

目前，量子计算的发展格局中充满了强劲且多样的竞争力量，很难预测在实现大规模实用容错量子计算机的竞赛中谁将胜出。

[1]https://news.microsoft.com/source/features/ai/microsofts-majorana-1-chip-carves-new-path-for-quantum-computing/

[2]https://www.hpcwire.com/2025/02/19/microsofts-big-bet-on-majorana-pays-off-with-new-topological-quantum-chip/

[3]https://news.microsoft.com/azure-quantum/

[4]https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2

[5]https://arxiv.org/abs/2502.12252

[6]https://www.nytimes.com/2025/02/19/technology/microsoft-quantum-computing-topological-qubit.html#

[7]https://www.nature.com/articles/d41586-021-00954-8#ref-CR10

[8]

[9]https://mp.weixin.qq.com/s/ZYTJ_i7CrLFuNPBcU82v8w

[10]https://arxiv.org/abs/2101.11456