量子时代的序幕—— Majorana 1 量子芯片

引言

2025年真是充满爆炸性消息的一年，AI方面有DeepSeek在国际崭露头角，马斯克也相继推出Grok3。与此同时，在硬件芯片方面，也有一个突破性进展：2025年2月19日，微软在其官方博客上宣布了世界上第一个由拓扑量子比特驱动的量子处理器—— Majorana 1 的诞生。

Majorana 1 之前

在讲 Majorana 1 之前，要先了解量子计算的相关概念。

量子比特

量子比特（$qubit$，或称量子位）是量子计算中用于编码数据的基本信息单位，可以理解为传统经典计算机用于在二进制中编码信息的比特的量子等价物。与只能处于0或1两种状态的经典比特不同，一个量子比特不仅能表示0或1，还可以同时处于这两个状态的任意叠加态。这意味着量子比特能够以0和1的加权组合形式存在，这种特性源于量子力学中的叠加原理。

当多个量子比特处于叠加态时，它们能指数级地扩展计算能力。例如，两个量子比特可以同时处理四条信息（每个量子比特既可以是0也可以是1），三个量子比特则可以处理八条信息，以此类推，n个量子比特可以处理 $2^n$ 条信息。然而，在测量时，量子比特的状态会坍缩为一个具体的值，即要么是0要么是1，这也是量子计算不同于经典计算的一个重要方面。

存在的挑战

量子比特非常容易损坏。量子比特必须冷却到只比绝对零度高几分之一的温度才能工作，而绝对零度比外太空还要冷。当量子粒子被充分控制以发挥量子比特的功能时，它们被称为具有相干性。当量子比特失去这种能力时，就被描述为去相干。为功能量子比特创建相干状态所需的高能制冷是量子计算面临的一大挑战。即使在最冷的条件下，量子比特系统一般也容易因去相干而失效。

量子计算

Quantum computing is an emergent field of cutting-edge computer science harnessing the unique qualities of quantum mechanics to solve problems beyond the ability of even the most powerful classical computers.

量子计算是一个新兴的计算机科学领域，它使用量子比特编码更多信息，利用量子力学的独特性质来解决那些即使是功能最强大的经典计算机也无法解决的问题。量子计算包含多个学科，主要包括量子硬件（如我们的主角量子芯片）和量子算法的研究。

除了科学研究、能源领域、网络安全这些领域，量子计算与人工智能的结合被视为未来技术发展的重要方向之一。量子计算能够大幅提高处理复杂和大规模数据集的速度，为机器学习算法提供了前所未有的计算能力。具体来说，量子计算机可以加速线性代数运算，这是许多AI算法的核心，包括支持向量机、神经网络以及主成分分析等方法。此外，量子计算还可以改进优化问题的求解过程，这对于训练深度学习模型至关重要。在AI发展越来越快，需求越来越大的时代，量子计算是突破算力限制的重要方向。

量子计算基于四个关键的量子力学原则：

1. 叠加态：量子粒子或系统可以代表的不只是一个可能性，而是多个可能性的组合。
2. 纠缠：多个量子粒子之间的相关性比常规概率允许的更强。
3. 退相干：量子粒子和系统可能会衰减、坍塌或变化，转化为可由经典物理学测量的单一状态。
4. 干涉：纠缠的量子态可以相互作用并产生更有可能或不太可能的概率。

存在的挑战

量子比特非常脆弱，容易受到环境噪声的影响而失去其量子态发生退相干；量子比特退相干、未知的量子态不能被精确复制（不可克隆定理）、对量子系统进行测量会不可避免地干扰到系统的状态等多种量子特性导致量子比特的错误率较高，需要开发高效的量子纠错技术；当前的量子处理器只能支持少量的量子比特，要达到实用水平，需要增加到数千甚至数百万个量子比特…… 目前来看量子计算投入实际应用中困难重重，还有不少问题仍需解决。

Majorana 1：迈向实用量子计算新篇章

Most of us grew up learning there are three main types of matter that matter: solid, liquid, and gas. Today, that changed.
最近，微软发布了一款名为 Majorana 1的新型量子芯片。这个芯片特别之处在于它使用了一种叫做拓扑量子比特的技术。这些量子比特具有天然的保护机制，能够减少外界干扰带来的错误，让计算更加准确。

微软CEO Satya Nadella在 X 上写到：“我们相信，这一突破将使我们能够创造出真正意义上的量子计算机，而不是像某些人预测的那样，在数十年内就能实现。用拓扑导体制造的量子比特更快、更可靠、更小。它们的尺寸只有 1/100 毫米，这意味着我们现在有了一条通往百万量子比特处理器的清晰道路。想象一下，一个可以放在手掌中的芯片，却能解决当今地球上所有计算机加在一起也无法解决的问题。”

Majorana 1中的拓扑量子比特是由一个 “H ”形单元构成的，它由两条平行的拓扑纳米线组成，并由一条三元超导线连接。微软称其为 “四面体”。目前，Majorana 1芯片可容纳 8 个这样的量子比特，但未来的设想是在单个芯片上扩展到 100 万个量子比特–大约只有手表或手掌大小。

同时芯片中的这些拓扑量子比特是通过连接量子点和纳米线的简单脉冲进行数字控制的，与需要复杂模拟信号的传统量子比特不同。这使得操作更加简单，不易出错。

关键特点

• 高稳定性：即使在不太理想的环境下，Majorana 1 也能保持量子比特的状态稳定。
• 低错误率：通过创新的设计，该芯片实现了非常低的读取错误率，仅为1%。
• 未来潜力：微软计划在未来几年内扩展这一技术，目标是创建一个拥有百万级量子比特的大规模系统。

未来挑战

• 保持量子比特的稳定：量子比特很容易受到周围环境的影响，导致失去其特殊状态。
• 扩展性问题：如何制造出包含大量量子比特的系统，并确保所有量子比特都能高效工作。
• 量子纠错：为了保证计算结果的准确性，需要复杂的纠错算法来纠正可能出现的错误。

结语

微软的 Majorana 1 量子芯片代表了科技领域的一次重大飞跃。通过理解和开发这些新技术，可以期待未来的计算能力将会有巨大的提升。虽然它可能还不具备在数量上与谷歌或 IBM 竞争的原始量子比特能力，但其拓扑方法却蕴含着巨大的前景。如果微软能像其宣称的那样扩大其规模，Majorana 1 可能就不仅仅是量子领域的又一次昙花一现，而可能是更大发展的开端。无论是对于科研人员还是普通用户，量子时代都将带来无限的可能性。不过一切仍需要时间的检验，量子领域还有太多的“叠加态”需要我们解开……

相关链接以及文献：
https://www.ibm.com/think/topics/qubit
https://www.ibm.com/think/topics/quantum-computing
https://azure.microsoft.com/en-us/blog/quantum/2025/02/19/microsoft-unveils-majorana-1-the-worlds-first-quantum-processor-powered-by-topological-qubits/?msockid=038523c611546be628ce315f101e6a72
https://www.youtube.com/watch?v=wSHmygPQukQ
Microsoft Azure Quantum., Aghaee, M., Alcaraz Ramirez, A. et al. Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices. Nature 638, 651–655 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08445-2