信息技术发展的里程碑：微软推出Majorana量子处理器
吴国发
2025年3月3日
吴国发按：这是一篇理论性很强的重要文章，具有量子物理学和计算机技术基本知识的人才能读懂全文。其他人也可以阅读、浏览该文，以便知道信息技术的新里程碑和量子计算机的新进展。
内容提要：2月19日，微软公司官网发表文章。推出世界第一个由拓扑量子比特提供支持的量子处理器Majorana 1。微软在可容纳100万个量子比特的芯片上放置了8个拓扑量子比特。这标志着向实用量子计算机的关键性飞跃；是信息技术发展进程的一个里程碑。
关键词：微软公司 量子计算机 拓扑导体 比特
（一）微软宣布：Majorana 1 量子处理器问世
2024年2月19日，微软公司官网（Microsoft.com）发表文章“Microsoft unveils Majorana 1, the world’s firstquantum processor powered by topological qubits”中文《微软推出 Majorana 1，这是世界上第一个由拓扑量子比特提供支持的量子处理器》，简称《微软推出 Majorana 1》；作者Chetan Nayak（切坛·纳雅克），见参考文献[1]。
Chetan Nayak是微软公司高级研究员、主管量子硬件的副总裁。
随后，2月22日，美国《自然新闻》网（NaturalNews.com）发表文章“Microsoftunveils Pentagon-backed Majorana 1quantum processor: A leap forward in quantum computing”，中文为《微软推出五角大楼支持的Majorana1量子处理器：量子计算的跃进》，简称《量子计算的跃进》，作者WillowTohi（维娄·托希）；见参考文献[2]。
【注：Majorana读音“马觉拉纳”】
文章《微软推出 Majorana 1》说：
量子计算机有望改变科学和社会，但前提是它们必须达到曾经看似遥不可及的规模，并且其可靠性由量子纠错来确保。今天，我们宣布：在实现有用的量子计算的道路上取得关键性进展。我们从科学探索迈向了尖端技术创新，量子处理器Majorana 1问世。
Majorana 1由称为拓扑导体的新材料制成。微软已经在可容纳100万个量子比特的芯片上放置了8个拓扑量子比特。这标志着向实用量子计算机的关键性飞跃；这是信息技术发展进程的一个里程碑。
文章《量子计算的跃进》介绍了Majorana 1量子处理器的技术创新和里程碑意义。
下面，我们详细介绍《微软推出 Majorana 1》的内容。笔者对原文的小标题和段落次序做了改变。下一篇文章再详细介绍《量子计算的跃进》的内容。
（二）新型材料拓扑导体的研制
今天的公告建立在我们团队最近的技术突破之上：我们研制了世界上第一个拓扑导体。这类 革 命 性的材料使我们能够创建拓扑超导性，这是一种以前只存在于理论上的新物质状态。
量子计算要求我们设计一种新的物质状态。因此，我们专门为此而设计新的物质状态。
新材料拓扑导体源于微软（Microsoft）公司在设计和制造结合砷化铟（一种半导体）和铝（一种超导体）的门定义器件方面的创新。当冷却到接近绝对零度（-273度）并用磁场调谐时，这些器件会形成拓扑超导纳米线，导线末端具有“马约拉零模式”（Majorana Zero Mode，MZM）。
在将近一个世纪的时间里，这些准粒子只存在于教科书中。现在，我们可以在我们的拓扑导体中按需创建和控制它们。MZM是量子比特的构建块，通过“奇偶校验”存储量子信息，无论导线包含偶数还是奇数个电子。在传统的超导体中，电子结合成库珀对并无阻力地移动。任何不成对的电子都可以被检测到，因为它的存在需要额外的能量。我们的拓扑导体是不同的：在这里，一对MZM之间共享一个不成对的电子，使其对环境不可见。此独特属性可保护量子信息。
（三）读取拓扑导体量子信息的方案
虽然这使得我们的拓扑导体成为量子比特的理想载体，但它也带来了一个挑战：我们怎么读取完全隐藏的量子信息？我们如何区分 1,000,000,000和1,000,000,001个电子？
我们针对这一测量挑战的解决方案如下（参见下图）。
下图是微软量子计算机读取拓扑量子比特的状态：
我们使用数字开关将纳米线的两端耦合到量子点上。量子点是一种可以存储电荷的微型半导体器件。
这种连接增加了量子点的充电能力。至关重要的是，确切的增加取决于纳米线的奇偶性。
我们使用微波来测量这种变化。量子点保持电荷的能力决定了微波如何从量子点反射。结果，它们返回时带有纳米线量子态的印记。
我们设计了仪器，把这些变化扩大到足够大，可以一次性进行可靠测量。我们最初的测量误差概率为1%。我们已经确定了显著降低误差概率的明确路径。
（四）通过数字精度彻底改变量子控制
我们的系统显示出令人印象深刻的稳定性。外部能量（如电磁辐射）可以打破库珀对，产生不成对的电子，从而将量子比特的状态从偶数奇偶翻转到奇数奇偶校验。然而，我们的结果表明，这种情况很少见，平均每毫秒只发生一次。这表明包裹我们处理器的屏蔽层可以有效地将此类辐射拒之门外。我们正在探索进一步减少这种情况的方法。
值得注意的是，我们的读出技术已经非常准确，这表明我们正在利用这种奇特的物质状态进行量子计算。
这种读出技术实现了一种完全不同的量子计算方法——使用测量来执行计算。
传统的量子计算通过精确的角度旋转量子态，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（quantum error correction，QEC）复杂化，它必须依靠这些相同的敏感作用来检测和纠正错误。
我们基于测量的方法极大地简化了QEC。我们完全通过简单的数字脉冲激活的测量来执行误差校正。这些脉冲将量子点与纳米线连接起来和断开。
这种数字控制使管理实际应用所需的大量的量子比特变得实用。这样，我们就能彻底改变量子控制。
（五）从物理学突破到工程学创新
随着核心构建块的演示——在MZM中编码、受拓扑保护并通过测量进行处理的量子信息——我们已准备好从物理学突破转向工程学的实际实施。
下一步是围绕称为特子（tetron）的单量子比特设备构建的可扩展架构。在公司工作站问答会议上，我们分享了演示此量子比特基本作用的数据。一个基本作用是测量 tetron 中一条拓扑纳米线的奇偶性。这使用了我们在《自然》（Nature）杂志发表的论文中描述的相同技术。
【注：英国出版的《自然》（Nature）杂志是世界上两个最权威的自然科学杂志之一。另一个杂志是美国出版的《科学》（Science）。】
另一个关键作用将量子比特置于奇偶校验状态的叠加中。这也是通过量子点的微波反射测量来执行的，但采用不同的测量配置。我们将第一个量子点与纳米线解耦，并将不同的点连接到器件一端的两个纳米线。通过执行 Z 和 X 这两个正交的包利（Pauli）测量，我们展示了基于测量的控制。这是一个关键的里程碑，开启了我们路线图的下一步。
我们的路线图现在系统地朝着可扩展的QEC迈进。下一步将涉及 4×2 特子（tetron）阵列。我们将首先使用双量子比特子集来演示纠缠和基于测量的编织变换。然后，我们将使用整个8量子比特数组，在两个逻辑量子比特上实现量子错误检测。
拓扑量子比特的内置错误保护简化了QEC。此外，与此前最先进的方法相比，我们的定制QEC代码将时间和费用减少到十分之一。这种显著的减少意味着我们的可扩展系统可以使用更少的物理量子比特构建，并有可能以更快的时钟速度运行。
（六）五角大楼DARPA对微软技术的认可
五角大楼国防高级研究计划局（DARPA）已选择微软作为进入其严格的基准测试计划的最后阶段的公司之一。该计划称为“公用事业规模量子计算的未充分探索系统”（US2QC）。这个计划是DARPA更大的“量子基准测试计划”（QBI）对一部分。微软将这一认可视为对我们构建具有拓扑量子比特的容错量子计算机的路线图的确证。
DARPA的US2QC计划及其更广泛的量子基准测试计划（QBI）规定了一种评估量子系统的严格方法。这些量子系统可以解决经典计算机无法解决的问题。
迄今为止，US2QC计划汇集了来自DARPA、空军研究实验室、约翰霍普金斯大学应用物理实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、橡树岭国家实验室和美国宇航局艾姆斯研究中心的专家，以验证量子硬件、软件和应用程序。
【注：五角大楼汇集了美国军工系统最实力强机构的科学家、技术专家验证微软的量子处理器Majorana 1】
展望未来，更大的量子基准测试计划预计将与更多量子计算机测试和评估专家合作。
以前，DARPA 在评估我们可以在合理的时间范围内构建一台实用规模的量子计算机后，选择了微软作为US2QC计划早期阶段的实施公司。然后，DARPA 评估了微软量子团队的容错量子计算机的体系结构设计和工程计划。经过仔细分析，DARPA和微软公司已签署协议，开始该计划的最后阶段。在此阶段，微软打算在几年而不是几十年内构建一个基于拓扑量子比特的容错原型。这是向公用事业规模量子计算迈出的关键步骤。
（七）微软承诺：将制造最先进超级计算机
18个月前（2023年7月），我们制定了量子超级计算机的路线图。今天，我们达到了第二个里程碑，展示了世界上第一个拓扑量子比特。我们已经在可容纳100万个量子比特的芯片上放置了8个拓扑量子比特。
百万量子比特量子计算机不仅是一个里程碑，而且是解决世界上一些最困难问题的最强超级计算机。即使是当今最强大的超级计算机也无法准确预测决定对我们未来至关重要的材料特性的量子过程。我们这种规模的量子计算可能会带来很多创新。
我们通往有实用价值的量子计算的道路很明确。基础技术已得到验证。我们相信我们的架构是可扩展的。
我们与DARPA的新协议表明，我们承诺：不懈地朝着我们的目标前进，制造一台能够推动科学发现并解决重要问题的世界最先进超级计算机。
参考文献：
[1] Chetan Nayak: “MicrosoftunveilsMajorana 1, the world’s first quantum processor powered by topological qubits”, microsof.com, February 19, 2025. Link:
https://azure.microsof.com/en-us/blog/quantum/2025/02/19/microsof-unveils-majorana-1-the-worlds-first-quantum-processor-powered-by-topological-qubits/
[2] WillowTohi: “Microsoft unveils Pentagon-backed Majorana 1quantum processor: A leapforward in quantum computing”, NaturalNews.com, February 22,2025. Link:
https://www.naturalnews.com/2025-02-22-microsof-unveils-pentagon-backed-majorana-1-quantum-processor.html
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