2 月 20 日,微软宣布了量子计算方面的新突破。他们公布了首款量子计算芯片 Majorana 1。微软称,距离量子计算机的实现,只需几年时间,而非几十年。微软还表示,开发 Majorana 1 需要创造一种全新的物质状态,也就是所谓的“拓扑体”。
传统计算机的每个晶体管仅能处于 0 或 1 这两种状态。然而,在量子计算机中,作为计算单位的一个量子比特能够存在多种状态,这种特性可以使某些类型的计算应用加速。错误是量子计算所面临的最大挑战之一。因为量子比特倾向于与它的环境迅速交换信息,这就导致很难对计算所需的信息进行保护。一般来说,使用的量子比特数量越多,出现的错误就会越多。
为解决此问题,微软的量子芯片运用了新的解决办法。Majorana 1 已历经近 20 年的研制,微软对一种少被采用的方法寄予厚望,即把传统半导体与超导体相结合,从而构建“拓扑量子比特”。Majorana 1 以一种名为马约拉纳费米子的粒子为依托,这种粒子所具备的特性使得它不易出现让量子计算机困扰的错误,然而物理学家要发现并控制它是很困难的。微软宣称,他们利用砷化铟和铝制造出了 Majorana 1,借助超导纳米线来对粒子进行观察,并且能够通过标准计算设备对其进行控制。
Majorana 1 的量子比特数量少于竞争对手。微软称仅构建了 8 个拓扑量子比特,这些量子比特还无法进行能改变计算本质的计算。微软认为,制造量子计算机时所需的基于马约拉纳费米子的量子比特数量少很多,原因是出错率更低。
微软负责长期战略投资的执行副总裁杰森·詹德表示,Majorana 1 属于“高风险、高回报”的战略。他指出,最难的部分在于解决物理问题,因为在这方面并没有现成的教科书可供参考,他们必须自己去探索和发现。
哈佛大学物理学教授菲利普·金称,微软的新发明很重要。因为拓扑量子比特能够加快量子计算机的发展。他还说,如果进展顺利,微软的研究或许会是具有革命性的。
加州理工学院理论物理学教授杰森·艾丽西娅质疑该公司是否真的构建了拓扑量子比特,他称量子系统的运行往往难以证明。他还表示,理论上拓扑量子比特是可能的,并且人们认为这是一个有价值的目标。艾丽西娅说必须验证一个设备是否按照理论预测的所有神奇方式运行,不然量子计算的现实可能会变得不那么乐观。幸运的是,微软已经有了尝试的准备。
有效用的量子计算机何时会到来,这已成为科技行业高层争论的话题。英伟达首席执行官黄仁勋上个月宣称,该技术要超越英伟达芯片还需 20 年时间。微软觉得,计算技术的根本变革比人们近期所认为的要近很多,称距离量子计算机“只需几年,而非几十年”。IBM 称,大型量子计算机将在 2033 年投入使用。谷歌则表示,距离商业量子计算应用只有五年时间。
去年 12 月,谷歌宣布了其最新的量子芯片 Willow。Willow 在基准测试中的表现令人惊叹。它拥有 105 个量子比特。Willow 在不到 5 分钟的时间内完成了一个标准的基准计算。当今最快的超级计算机完成这个计算需要耗时 10^25 年,也就是 10,000,000,000,000,000,000,000,000 年。这个数字远远超过了宇宙的年龄。科学家致力于研究减少错误的途径。当时谷歌进行研究后发现,对于 Willow 而言,使用的量子比特数量越多,就越能够使错误成倍减少,这一发现解决了量子纠错领域的关键难题。