Majorana 1 基于一种突破性的新型材料——拓扑导体（topoconductor）构建，标志着向实用量子计算的变革性飞跃。
量子计算机有望改变当前的科学和社会，但前提是它们必须达到前所未有的规模，并通过量子纠错确保可靠性。近期，微软宣布了一系列快速推进实用量子计算的最新进展：
● Majorana 1：全球首款由拓扑核心（Topological Core）驱动的量子处理单元（QPU），旨在在单个芯片上扩展至百万级量子比特。
● 硬件保护型拓扑量子比特：发表在《自然》（Nature）上的研究论文，以及在 Station Q 会议上分享的数据表明，我们有能力利用新型材料，构建出一种全新类型的量子比特。这种量子比特体积小、速度快，且能够由数字控制。
● 通向可靠量子计算的设备路线图：我们正在从单量子比特设备迈向支持量子纠错的量子比特阵列。
这些里程碑共同标志着量子计算的关键时刻——从科学探索迈向技术创新的新阶段。
#01
利用新型材料
近期宣布的所有进展都建立在全球首款拓扑导体（topoconductor）——这一重大突破之上。这一革命性的新材料使我们能够实现拓扑超导性（topological superconductivity）——一种此前仅存在于理论中的新物态。
这一突破源自于微软结合了砷化铟（半导体）和铝（超导体），并设计和制造了栅极定义器件（gate-defined devices）上的创新。当这些器件被冷却至接近绝对零度并经由磁场调控后，它们能够形成拓扑超导纳米线（topological superconducting nanowires），并在纳米线的两端产生马约拉纳零模（Majorana Zero Modes, MZMs）。
图 1：读取拓扑量子比特的状态
近一个世纪以来，这些准粒子（quasiparticles）仅存在于教科书中。如今，我们可以在拓扑导体（topoconductors）中按需创建并控制它们。马约拉纳零模（MZMs） 是量子比特的基本构建单元，通过“奇偶性”（parity）存储量子信息——即纳米线中包含偶数或奇数个电子。在传统超导体中，电子会结合成库珀对（Cooper pairs）并无阻力地移动。任何未配对的电子都会被探测到，这是因为其存在需要额外的能量。但拓扑导体有所不同：在这里，一对 MZM 之间共享一个未配对的电子，使其在环境中“隐形”。这一独特属性能够保护量子信息。
虽然这一特性使拓扑导体成为量子比特的理想材料，但也带来了一个挑战：如何读取如此隐蔽的量子信息？如何区分 1,000,000,000 还是 1,000,000,001 个电子？
针对这一挑战，我们的测量方案如下（参见图 1）：
使用数字开关将纳米线的两端耦合到量子点（quantum dot）。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电荷存储能力，关键在于：确切的增加取决于纳米线的奇偶性。
我们使用微波测量这种变化。量子点的电荷存储能力决定了微波如何从量子点反射，从而使返回的微波携带纳米线的量子态信息。
我们设计的器件，可以使这些变化足够大，从而在单次测量中能够可靠读取。我们的初始测量误差率为 1%，并且我们已找到显著降低误差概率的明确路径。
我们的系统表现出了卓越的稳定性。外部能量（如电磁辐射）可能会打破库珀对，产生未配对电子，从而使量子比特的状态从偶数奇偶性翻转为奇数奇偶性。然而，我们的实验结果表明，这种情况极为罕见，平均每毫秒仅发生一次。这表明处理器周围的屏蔽层能够有效阻挡外部辐射，我们正在探索进一步降低这一干扰的方法。
意料之中的是，量子计算可能需要我们构建一种全新的、专为其设计的物质状态。同时值得注意的是，我们的读出技术已经具有极高的准确性，证明了我们正在利用这种独特的物质状态来推进量子计算的发展。
#02
通过数字精度革新量子控制
这一读出技术使我们能够采用全新的量子计算方法，使用测量本身来执行计算。
传统的量子计算通过精确角度旋转量子态，这需要针对每个量子比特定制复杂的模拟控制信号（analog control signals）。这种方式增加了量子纠错（QEC，Quantum Error Correction） 的复杂性，因为纠错必须依赖这些相同的敏感操作来检测和修正错误。
我们基于测量的方法彻底简化了量子纠错。通过简单的数字脉冲（digital pulses）激活测量，实现错误校正。脉冲用于连接或断开量子点与纳米线，从而执行纠错操作。这种数字控制（digital control）方式使得管理大规模量子比特变得可行，从而为实际应用奠定了基础。
#03
从物理学到工程学
图 2：基于 Tetron 的容错量子计算路线图。第一个面板展示了单量子比特器件。Tetron 由两条平行的拓扑纳米线（蓝色）组成，每条纳米线的两端各有一个马约拉纳零模（MZM）（橙色点），并通过一条垂直的微小超导线（浅蓝色）连接。第二个面板展示了双量子比特器件，支持基于测量的缠绕变换（braiding transformations）。第三个面板展示了一个 4×2 的 tetron 阵列，用于在两个逻辑量子比特上进行量子错误检测演示。这些演示旨在进行量子纠错，例如最右面板所示的器件（27×13 tetron 阵列）。
随着核心构建模块的验证完成——量子信息被编码在马约拉纳零模（MZMs）中，并通过拓扑保护，再经由测量进行处理——我们已经准备好从物理学突破迈向实际工程实现。
下一步，我们将围绕一种称为tetron的单量子比特器件构建可扩展的架构（参见图2）。在Station Q 会议上，我们展示了该量子比特的基本运行数据。其中，一个关键操作是测量 tetron 内某条拓扑纳米线的奇偶性，这一过程采用了与我们在《Nature》论文中描述的相同技术。
另一个核心操作是将量子比特置于奇偶性态的叠加态。这一操作同样通过量子点的微波反射测量（microwave reflectometry measurement）实现，但配置方式不同：首先，我们将第一个量子点与纳米线解耦，并将另一个量子点连接至器件一端的两条纳米线。通过执行 Z 和 X 这两个正交泡利测量（Pauli measurements），我们实现了基于测量的控制（measurement-based control）。这是一个至关重要的里程碑，为我们后续的技术路线图铺平了道路。
我们的技术路线图现在正系统性地朝着可扩展量子纠错（QEC）推进。下一步，我们将开发一个 4×2 的 tetron 阵列。先使用双量子比特子集来演示纠缠（entanglement）和基于测量的缠绕变换（braiding transformations）。接着，在完整的八量子比特阵列上实现两个逻辑量子比特的量子错误检测。
拓扑量子比特的内置错误保护机制大幅简化了量子纠错。此外，与此前最先进的 QEC 方案相比，我们自研的定制 QEC 代码将计算成本降低了约 10 倍。这一显著的优化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，并有可能实现更快的运行时钟频率。
#04
释放量子计算的潜力
18 个月前，我们公布了量子超级计算机的路线图。今天，我们达成了第二个里程碑——展示了世界上第一个拓扑量子比特。我们已经在设计用于容纳一百万量子比特的芯片上，放置了八个拓扑量子比特。
百万量子比特的量子计算机不仅仅是一个里程碑，更是通往解决世界上最棘手问题的大门。即便是今天最强大的超级计算机，也无法准确预测那些决定我们未来发展所需材料的量子过程。但百万量子比特规模下的量子计算，将会引领诸多创新，例如能修复桥梁裂缝的自修复材料、可持续农业和更安全的化学发现等。如今，这些研究需要耗费数十亿美元进行穷尽性实验和湿实验，而未来则可以通过量子计算机的计算来实现。
通往实用量子计算的路径已经明确。基础技术已得到验证，并且我们相信我们架构的可扩展性。我们承诺不断前行，致力于打造一台能够推动科学发现、解决重大问题的机器。请持续关注微软在这一领域的最新进展。
