微软科研团队近日宣布了一项重大突破，他们成功研发出一种基于罕见物质状态的量子处理器，这一创新为未来几年内制造出拥有百万量级量子比特的处理器奠定了坚实基础。
这款新型量子计算芯片的核心在于一种特殊材料，它能进入一种全新的物质状态。这一发现意味着，科学家或许能大幅提前制造出拥有数百万个可靠量子位的单个芯片的时间表，从原先预期的几十年缩短至几年。
这款被称为“马约拉纳1号”的量子处理单元（QPU）是一个8量子位的原型芯片，它采用了世界首例拓扑导体材料制造。拓扑导体能在特定条件下利用量子力学定律，实现量子计算机中1和0的计算数据处理。这种新型量子比特，即“拓扑量子比特”，相比传统由超导金属制成的量子比特，具有更高的稳定性、更小的体积、更低的能耗以及更强的可扩展性。
微软技术研究员、加州大学圣巴巴拉分校物理学教授切坦·纳亚克表示：“我们设想为量子时代发明一种新型的晶体管，并思考它应具备哪些特性。正是这一思路引领我们走到了今天。我们新材料堆栈中的特殊组合、质量和关键细节，使得一种新型量子比特成为可能，并构成了我们整个架构的基础。”
这一QPU的制造得益于研究人员首次成功观察并控制了一种名为“马约拉纳费米子”或“马约拉纳零模式”的神秘亚原子粒子。这种粒子由数学家埃托雷·马约拉纳于1937年理论化提出，一个粒子可以是它自己的反粒子。理论上，两个这样的粒子结合，要么相互湮灭，要么稳定共存，为存储量子信息提供了可能。
为了使马约拉纳费米子成为现实，微软科学家在材料科学、制造方法和测量技术上取得了一系列突破。他们在《自然》杂志上发表的一项新研究中详细阐述了这些发现，这是长达17年研究项目的高潮。其中，最关键的是创造了特殊的拓扑导体材料，作为量子比特的基础。
科学家们将砷化铟半导体与铝超导体结合，构建了拓扑导体。他们通过精确控制成分组合和创造极端条件（如接近绝对零度的温度和磁场暴露），成功诱导出马约拉纳零模式。为了构建尺寸小于10微米的量子位，科学家们巧妙地将纳米线排列成H形结构，并通过冷却和磁场调节，在H结构的四个点上诱导出四个马约拉纳零模式。
拓扑导体与超导体的不同之处在于，当承载一个不成对的电子时，它们的行为表现各异。拓扑导体通过一种特殊机制“隐藏”未配对电子，使得量子比特在硬件层面更加稳定，并保护量子信息。然而，这也增加了测量量子态的难度。为此，科学家们引入了量子点技术，通过发射和反射电子来测量量子态，实现了约99%的测量准确度。
微软首席研究经理克里斯塔·斯沃表示：“虽然展示这种新的物质状态很复杂，但一旦实现，后续的扩展就变得相对简单。这种新的量子比特架构，即‘拓扑核心’，代表了迈向可行百万量子比特量子计算机的第一步。它就像20世纪从真空管到晶体管的转变一样重要。”
科学家们计划在未来几年内制造出一个拥有百万个物理量子比特的芯片，这将为医学、材料科学等领域带来前所未有的科学突破，这些突破是使用最快超级计算机也无法实现的。然而，量子芯片并非孤立工作，它需要一个包括稀释致冷机、控制逻辑系统和集成软件的生态系统支持。优化这些系统以实现更大规模的工作，将需要数年时间。但随着进一步突破，这一时间表有望加快。
斯沃强调：“这些材料必须完美排列在一起。如果材料堆栈中存在太多缺陷，就会破坏量子位。讽刺的是，这也是我们需要量子计算机的原因——因为理解这些材料非常困难。拥有规模化的量子计算机后，我们将能够预测性能更好的材料，用于构建下一代超越当前规模的量子计算机。”
