又到學(xué)習(xí)物理的時候了！微軟發(fā)布新型量子計算芯片Majorana 1
來源：財聯(lián)社
隨著美國科技巨頭微軟公司周三發(fā)布新型量子計算芯片Majorana 1，全球投資者又到“上物理課”的時間了。
微軟表示，通過這個“全球首款拓撲架構(gòu)量子芯片”，開發(fā)出能解決“有意義工業(yè)規(guī)模問題”的量子計算機，將是未來幾年就能實現(xiàn)的事情，而不是科學(xué)界此前預(yù)期的幾十年。
作為本文最容易理解的部分，微軟的最新公告帶動量子計算概念齊漲。截至發(fā)稿，Quantum Computing漲超6%、D-Wave Quantum漲近10%。
所以，這到底是什么東西？
作為這項技術(shù)突破的大背景，量子計算機的核心是量子比特（qubits），這是量子計算中的信息單位，類似于今天計算機使用的二進制。問題在于，量子比特相當脆弱，并且對環(huán)境噪聲非常敏感，可能導(dǎo)致計算錯誤或數(shù)據(jù)丟失——對于計算機來說是毀滅性的結(jié)果。這也是量子計算目前發(fā)展緩慢的核心矛盾。
對于正在開發(fā)量子計算機的微軟、谷歌、IBM來說，最終目標是實現(xiàn)在可控大小的芯片上容納100萬個量子比特——俗稱通用容錯量子計算機。
為了解決這個問題，微軟花了17年時間交出了目前的答卷：通過創(chuàng)造所謂的“世界首個拓撲體”，得以觀察和控制馬約拉納粒子，從而產(chǎn)生更可靠和可擴展的量子比特。
理論物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納在1937年首次描述馬約拉納粒子，但它們在自然界中并不存在。直到幾年前，這種粒子從未被觀察到或制造出來。在《自然》雜志發(fā)表的論文中，微軟透露使用砷化銦（半導(dǎo)體）和鋁（超導(dǎo)體），通過逐個原子設(shè)計和構(gòu)建拓撲導(dǎo)體線材——所謂“量子時代的晶體管”。
微軟研究員Krysta Svore介紹稱，正確選擇材料堆棧以產(chǎn)生拓撲物態(tài)是最困難的部分之一。Svore表示：“我們實際上是逐個原子進行噴涂的，這些材料必須完美對齊。如果材料堆中有太多缺陷，就會毀掉你的量子比特?！?/p>
微軟解釋稱，當拓撲導(dǎo)體線材被冷卻到接近絕對零度并通過磁場調(diào)諧時，會在兩端形成馬約拉納零能模（MZMs）。馬約拉納量子比特比其他替代品更穩(wěn)定。它們快速、小巧且可以數(shù)字控制，并具有獨特的屬性，可以保護量子信息。
在Majorana 1芯片上，微軟將拓撲導(dǎo)體納米線連接在一起形成一個“H”， 每個單元有四個可控的馬約拉納粒子，構(gòu)成一個量子比特。“H”單元可以連接，微軟已經(jīng)成功將8個單元放置在一塊芯片中。通過這種方式，微軟使得量子比特能夠以數(shù)字方式進行控制，重新定義并大大簡化了量子計算的工作方式。
除了制造馬約拉納粒子外，微軟現(xiàn)在也具備從中測量信息的能力。微軟表示，新的測量方法可以精確到檢測超導(dǎo)線中十億個和十億零一個粒子之間的差異——這會告訴計算機量子比特處于什么狀態(tài)，并為量子計算奠定基礎(chǔ)。測量可以通過電壓脈沖開關(guān)來開啟和關(guān)閉，簡化了量子計算的過程和構(gòu)建可擴展機器的物理要求。
當然，微軟最終的目標依然是在巴掌大的芯片上，放入100萬個量子比特。
對于人類而言，量子計算的實現(xiàn)也意味著現(xiàn)在許多“投入全地球算力仍需要幾千年才能解決的問題”，看到短期內(nèi)解決的希望，特別是在材料學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
接下來進入“畫餅”時間。
微軟表示，通過量子計算的強大算力，可以幫助科學(xué)家解決“材料為什么會被腐蝕、斷裂”，從而開發(fā)出能自動修復(fù)橋梁、飛機部件裂紋、破碎手機屏幕的自愈材料。
量子計算也能全面釋放AI的潛能?？茖W(xué)家和開發(fā)者能夠用簡單的語言來描述他們想要創(chuàng)造的新材料或者分子，并能立即得到答案，無需猜測或多年的試錯。
這一領(lǐng)域中國亦有布局
對于微軟報告中提及的“拓撲量子”和“馬約拉納零能模”等領(lǐng)域，中國科學(xué)家近幾年來也有科研進展。
據(jù)央視2022年時報道，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院物理研究所研究員高鴻鈞團隊對鐵基超導(dǎo)體LiFeAs進行了更加細致而深入的研究。他們在實驗上發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力可以誘導(dǎo)出的大面積、高度有序和可調(diào)控的馬約拉納零能模格點陣列。這項研究為實現(xiàn)拓撲量子計算提供了重要的高質(zhì)量研究平臺。
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