電子發(fā)燒友網報道（文 / 吳子鵬）當地時間本周三（2 月 20 日），微軟公司宣布推出其首款量子計算芯片，命名為 Majorana 1。微軟在《自然》雜志上發(fā)表的一篇同行評審論文中詳細闡述了該研究成果，他們創(chuàng)造了一種由砷化銦和鋁制成的新材料，并在芯片上集成了 8 個拓撲量子比特，且有望最終擴展至百萬個。

Majorana 1芯片，圖源：微軟

從量子比特數量來看，微軟首款量子芯片與全球領先水平存在一定差距，其量子比特數量少于 IBM 最新處理器 R2 Heron 芯片的 156 個，也不及谷歌 Willow 芯片的 105 個以及國產量子芯片 “祖沖之三號” 超導量子芯片的 105 個。這不禁讓人產生疑問，微軟潛心研究 17 年，發(fā)布的竟是這樣一款量子比特數量不多的 “落后” 芯片，它究竟有何特別之處？

量子計算：未來科技競爭的焦點

在科技飛速發(fā)展的當下，量子計算正逐漸成為未來科技競爭的核心領域。量子計算基于量子力學原理，借助量子比特的疊加態(tài)和糾纏態(tài)等特殊性質，擁有遠超傳統(tǒng)計算機的計算能力。這種強大算力能在極短時間內完成傳統(tǒng)計算機需要漫長時間才能處理的復雜計算任務，為眾多領域帶來革命性突破。

全球各國都敏銳洞察到量子計算的巨大潛力，紛紛加大投入，展開激烈競爭。美國憑借雄厚的科研實力和豐富資源，在量子計算領域持續(xù)發(fā)力，眾多科技巨頭和頂尖科研機構不斷取得新突破；歐洲各國通過聯(lián)合項目等形式整合資源，共同推動量子技術發(fā)展；中國近年來在量子計算領域成績斐然，從量子衛(wèi)星的成功發(fā)射到量子芯片技術的不斷創(chuàng)新，彰顯出強大的科研實力和追趕決心。

全球量子芯片發(fā)展現(xiàn)狀

目前，已發(fā)布的量子芯片中，IBM 最新處理器 R2 Heron 芯片較為領先，也稱為第二代 IBM Quantum Heron R。該處理器計算速度相較前代提升了 50 倍，可支持高達 5,000 次雙量子比特門操作。R2 Heron 芯片采用 156 個量子比特，構建成六邊形晶格結構，并引入雙級系統(tǒng)緩解機制，有效減少量子比特之間的干擾，配合可調耦合器設計抑制信號串擾。

IBM Quantum Heron R，圖源：IBM

在 R2 Heron 芯片之后，IBM 還有更大的發(fā)展計劃，致力于在 2025 年底前推出 IBM Quantum Flamingo。通過連接兩個 Heron R2 芯片，F(xiàn)lamingo 實現(xiàn)了長距離量子比特門操作，為構建大規(guī)模量子系統(tǒng)奠定了基礎，在長線路運行方面具有優(yōu)勢。配合 IBM 對量子系統(tǒng)軟件棧的更新優(yōu)化，如引入參數化編譯等，能夠支持每秒超過 150,000 次線路層操作（CLOPS）。同時，IBM 計劃打造由三個 Flamingo 處理器組成的量子系統(tǒng)，共計 1,386 個量子比特。

IBM Quantum Flamingo，圖源：IBM

除美國外，歐洲也有領先的量子芯片案例，包括 Oxford Ionics 的離子阱量子芯片、Pasqal 的基于中性原子的量子芯片、IQM 的超導量子芯片。其中，Oxford Ionics 的離子阱量子芯片摒棄傳統(tǒng)依賴激光操控量子比特的方式，將離子阱技術與硅芯片技術相結合，把量子比特的控制組件直接嵌入到硅片中。在雙量子比特門操作中，保真度達到了 99.97%；單量子比特操作實現(xiàn)的保真度達到 99.9992%。該公司計劃打造可擴展的 256 量子比特芯片，且能在現(xiàn)有的半導體生產線上進行生產。

我國量子芯片的發(fā)展也處于全球第一梯隊。前面提到的 “祖沖之三號” 芯片，由中國科學技術大學及其合作團隊研發(fā)，采用先進的倒裝芯片技術，集成了 105 個量子比特和 182 個耦合器。單量子比特門、雙量子比特門和讀取保真度分別達到了 99.90%、99.62% 和 99.18%。還有一款 “悟空芯”，由本源量子研發(fā)，是中國最新自主可控的超導量子芯片，型號為夸父 kfc72 - 300，搭載于第三代自主超導量子計算機 “本源悟空” 上，擁有 72 個超導量子比特。

“祖沖之三號” 芯片，圖源：《自然》雜志

微軟 Majorana 1 芯片：實力不容小覷

對于量子芯片而言，通常量子比特位數越多，計算能力呈指數級增長。量子計算的強大之處在于量子比特的疊加和糾纏特性，每增加一個量子比特，量子系統(tǒng)能表示的狀態(tài)數量就會翻倍。例如，1 個量子比特可以表示 2 種狀態(tài)，2 個量子比特可以表示 4 種狀態(tài)，3 個量子比特就可以表示 8 種狀態(tài)，以此類推，n 個量子比特可以表示 2?種狀態(tài)。這意味著量子比特位數的增加能讓量子計算機在相同時間內處理更多的數據，解決更復雜的問題。

從這個角度看，微軟新發(fā)布的 Majorana 1 芯片似乎競爭力不足。不過，微軟發(fā)布這款芯片的目的并非展示其強大的計算性能，而是詮釋一種全新的量子計算技術。

據悉，微軟已花費 17 年時間致力于為量子計算創(chuàng)造新材料和新架構。Majorana 1 芯片采用拓撲核心架構，利用拓撲導體材料砷化銦和鋁，通過分子束外延技術進行原子級制造。該芯片能形成馬約拉納零能模，以此構建的拓撲量子比特具有非阿貝爾統(tǒng)計特性，可非局域存儲量子信息，比傳統(tǒng)超導、離子阱等量子比特抗環(huán)境干擾能力更強，為量子計算穩(wěn)定性筑牢基礎。

同時，Majorana 1 芯片的拓撲量子比特采用數字控制，通過簡單脈沖連接量子點和納米線，相比傳統(tǒng)量子比特需復雜模擬信號，操作更簡單、容錯率更高。在 Majorana 1 芯片之后，微軟設想未來該芯片最終能容納 100 萬個量子比特。目前，該芯片的能力僅限于解決數學問題，以證明其可控性。

微軟的工程師表示，拓撲量子比特的發(fā)展已經足夠成熟，可以作為未來量子計算機的基礎。隨著技術的不斷進步，微軟的量子計算之路或許將給我們帶來更多驚喜。