Microsoft 声称了一项重大的量子突破，但它有什么作用？

Microsoft 的研究人员已经宣布在设备中创建第一个“拓扑量子比特”，该设备将信息存储在 Exotic 中物质状态，这可能是量子计算.

与此同时，研究人员还发表了《自然》杂志上的一篇论文和一个”路线图“进行进一步的工作。Majorana 1 处理器的设计应该可容纳多达 100 万个量子比特，这可能足以实现量子计算的许多重要目标，例如破解密码和更快地设计新药物和材料。

如果 Microsoft 的索赔成功，该公司可能已经超越了 IBM 和 Google 等竞争对手，而这些竞争对手目前似乎是引领比赛要构建量子计算机.

然而，经过同行评审的 Nature 论文只展示了研究人员所声称的部分内容，并且路线图仍然包括许多需要克服的障碍。

虽然 Microsoft 的新闻稿展示了一些应该是量子计算硬件的东西，但我们没有任何独立确认它能做什么。尽管如此，来自 Microsoft 的消息还是非常有希望的。

到现在为止，您可能有一些问题。什么是拓扑量子比特？就此而言，量子比特到底是什么？为什么人们想要量子计算机首先？

量子比特很难构建

量子计算机最早是在 1980 年代出现的。普通计算机以比特存储信息，而量子计算机以量子比特或量子比特存储信息。

普通位的值可以是 0 或 1，但量子位（多亏了控制非常小粒子的量子力学定律）可以具有两者的组合。

如果将普通位想象成可以向上或向下的箭头，那么量子比特就是可以指向任何方向的箭头（或所谓的向上和向下的“叠加”）。

这意味着量子计算机对于某些类型的计算将比普通计算机快得多，尤其是与解开代码和模拟自然系统有关的计算。

目前为止，一切都好。但事实证明，构建真正的量子比特以及从中获取信息是极其困难的，因为与外部世界的交互会破坏内部微妙的量子态。

研究人员尝试了许多不同的技术来制造量子比特，使用诸如被困在电场中的原子或超导体中旋转的电流漩涡之类的东西。

细小的电线和奇异的颗粒

Microsoft 采用了一种非常不同的方法来构建其“拓扑量子比特”。他们使用了所谓的马约拉纳粒子，该粒子由意大利物理学家埃托雷·马约拉纳 （Ettore Majorana） 于 1937 年首次提出理论。

马约拉纳斯不是像电子或质子那样天然存在的粒子。相反，它们只存在于一种称为拓扑的稀有材料中超导体（这需要先进的材料设计，并且必须冷却到极低的温度）。

事实上，马约拉纳颗粒是如此奇特，它们通常只在大学里研究，而不用于实际应用。

Microsoft 团队表示，他们使用了一对细线来充当量子比特，每根线的两端都有一个 Majorana 粒子。他们使用微波测量量子比特的值，即电子是位于一根导线中还是另一根导线中。

编织钻头

为什么 Microsoft 付出了所有这些努力？因为通过交换马约拉纳颗粒的位置（或以某种方式测量它们），它们可以被“编织”起来，这样它们就可以无误差地进行测量，并且能够抵抗外部干扰。（这是“拓扑量子比特”的“拓扑”部分。

从理论上讲，使用 Majorana 粒子制造的量子计算机可以完全摆脱困扰其他设计的量子比特错误。

这就是 Microsoft 选择这样一种看似费力的方法的原因。其他技术更容易出错，可能需要将数百个物理量子比特组合在一起才能生成单个可靠的“逻辑量子比特”。

相反，Microsoft 将其时间和资源投入到开发基于 Majorana 的量子比特上。虽然他们是迟到的 Big Quantum 派对，他们希望能赶快赶上。

总有一个问题

与往常一样，如果某件事听起来好得令人难以置信，就会有一个陷阱。即使对于基于 Majorana 的量子计算机，例如 Microsoft 宣布的计算机，一项作（称为 T 门）也无法在没有错误的情况下实现。

因此，基于 Majorana 的量子芯片只是“几乎没有错误”。但是，校正 T 门误差比其他量子平台的一般误差校正要简单得多。

现在怎么办？Microsoft 将尝试推进其路线图，稳步构建越来越大的量子比特集合。

科学界将密切关注 Microsoft 的量子计算处理器的运行方式，以及它们与其他已建立的量子计算处理器相比的性能。

与此同时，全球各地的大学将继续对马约拉纳粒子的奇特和晦涩行为进行研究。

斯蒂芬·雷切尔， 物理学院教授，墨尔本大学

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