Microsoft 聲稱了一項重大的量子突破，但它有什么作用？

Microsoft 的研究人員已經(jīng)宣布在設(shè)備中創(chuàng)建第一個“拓撲量子比特”，該設(shè)備將信息存儲在 Exotic 中物質(zhì)狀態(tài)，這可能是量子計算.

與此同時，研究人員還發(fā)表了《自然》雜志上的一篇論文和一個”路線圖“進行進一步的工作。Majorana 1 處理器的設(shè)計應(yīng)該可容納多達 100 萬個量子比特，這可能足以實現(xiàn)量子計算的許多重要目標，例如破解密碼和更快地設(shè)計新藥物和材料。

如果 Microsoft 的索賠成功，該公司可能已經(jīng)超越了 IBM 和 Google 等競爭對手，而這些競爭對手目前似乎是引領(lǐng)比賽要構(gòu)建量子計算機.

然而，經(jīng)過同行評審的 Nature 論文只展示了研究人員所聲稱的部分內(nèi)容，并且路線圖仍然包括許多需要克服的障礙。

雖然 Microsoft 的新聞稿展示了一些應(yīng)該是量子計算硬件的東西，但我們沒有任何獨立確認它能做什么。盡管如此，來自 Microsoft 的消息還是非常有希望的。

到現(xiàn)在為止，您可能有一些問題。什么是拓撲量子比特？就此而言，量子比特到底是什么？為什么人們想要量子計算機首先？

量子比特很難構(gòu)建

量子計算機最早是在 1980 年代出現(xiàn)的。普通計算機以比特存儲信息，而量子計算機以量子比特或量子比特存儲信息。

普通位的值可以是 0 或 1，但量子位（多虧了控制非常小粒子的量子力學(xué)定律）可以具有兩者的組合。

如果將普通位想象成可以向上或向下的箭頭，那么量子比特就是可以指向任何方向的箭頭（或所謂的向上和向下的“疊加”）。

這意味著量子計算機對于某些類型的計算將比普通計算機快得多，尤其是與解開代碼和模擬自然系統(tǒng)有關(guān)的計算。

目前為止，一切都好。但事實證明，構(gòu)建真正的量子比特以及從中獲取信息是極其困難的，因為與外部世界的交互會破壞內(nèi)部微妙的量子態(tài)。

研究人員嘗試了許多不同的技術(shù)來制造量子比特，使用諸如被困在電場中的原子或超導(dǎo)體中旋轉(zhuǎn)的電流漩渦之類的東西。

細小的電線和奇異的顆粒

Microsoft 采用了一種非常不同的方法來構(gòu)建其“拓撲量子比特”。他們使用了所謂的馬約拉納粒子，該粒子由意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納 （Ettore Majorana） 于 1937 年首次提出理論。

馬約拉納斯不是像電子或質(zhì)子那樣天然存在的粒子。相反，它們只存在于一種稱為拓撲的稀有材料中超導(dǎo)體（這需要先進的材料設(shè)計，并且必須冷卻到極低的溫度）。

事實上，馬約拉納顆粒是如此奇特，它們通常只在大學(xué)里研究，而不用于實際應(yīng)用。

Microsoft 團隊表示，他們使用了一對細線來充當(dāng)量子比特，每根線的兩端都有一個 Majorana 粒子。他們使用微波測量量子比特的值，即電子是位于一根導(dǎo)線中還是另一根導(dǎo)線中。

編織鉆頭

為什么 Microsoft 付出了所有這些努力？因為通過交換馬約拉納顆粒的位置（或以某種方式測量它們），它們可以被“編織”起來，這樣它們就可以無誤差地進行測量，并且能夠抵抗外部干擾。（這是“拓撲量子比特”的“拓撲”部分。

從理論上講，使用 Majorana 粒子制造的量子計算機可以完全擺脫困擾其他設(shè)計的量子比特錯誤。

這就是 Microsoft 選擇這樣一種看似費力的方法的原因。其他技術(shù)更容易出錯，可能需要將數(shù)百個物理量子比特組合在一起才能生成單個可靠的“邏輯量子比特”。

相反，Microsoft 將其時間和資源投入到開發(fā)基于 Majorana 的量子比特上。雖然他們是遲到的 Big Quantum 派對，他們希望能趕快趕上。

總有一個問題

與往常一樣，如果某件事聽起來好得令人難以置信，就會有一個陷阱。即使對于基于 Majorana 的量子計算機，例如 Microsoft 宣布的計算機，一項作（稱為 T 門）也無法在沒有錯誤的情況下實現(xiàn)。

因此，基于 Majorana 的量子芯片只是“幾乎沒有錯誤”。但是，校正 T 門誤差比其他量子平臺的一般誤差校正要簡單得多。

現(xiàn)在怎么辦？Microsoft 將嘗試推進其路線圖，穩(wěn)步構(gòu)建越來越大的量子比特集合。

科學(xué)界將密切關(guān)注 Microsoft 的量子計算處理器的運行方式，以及它們與其他已建立的量子計算處理器相比的性能。

與此同時，全球各地的大學(xué)將繼續(xù)對馬約拉納粒子的奇特和晦澀行為進行研究。

斯蒂芬·雷切爾， 物理學(xué)院教授，墨爾本大學(xué)

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