微软的马约拉纳 1： “不可能”量子位的物理学

要点

• “不可能”粒子：微软已成功设计出“马约拉纳零模式”，一种本身就是反粒子的准粒子，以创建自然稳定的量子位。
• 硬件与软件：虽然谷歌等竞争对手正在构建大规模的“软件”纠错层，但微软已将错误保护直接融入“硬件”物理中。
• Tetron：新的量子位架构采用 H 形“Tetron”设计，允许“编织”——信息存储在粒子运动的“历史”中，而不仅仅是其状态的过程。
• 为什么重要：如果这种规模化，我们可能会完全跳过“嘈杂的中尺度量子”（NISQ）时代，直接跳到容错。

在过去的十年里，量子计算竞赛一直是一场暴力游戏。像谷歌和 IBM 这样的公司一直在构建超导跨量子比特——不幸的是，这种技术奇迹却让外界感到恐惧。杂散光子、热波动或宇宙射线都可能导致它们发生“退相干”，从而导致计算崩溃。

他们的解决方案？ 量子纠错（QEC）。构建具有数千个“物理”量子位的巨大芯片，只是为了充当单个“逻辑”量子位的保镖。它有效，但效率低下。这就像用扑克牌建造一座城堡并雇用一千个人将其支撑在风中一样。

2025 年 2 月 19 日，微软翻转了桌子。

随着 Majorana 1 芯片的发布，微软并没有试图阻止这一切。他们把它们粘在一起了。通过利用一种被称为“拓扑超导性”的新物质状态，他们创造了一种对噪声漠不关心的量子位。

以下是对“不可能”量子位物理原理的深入探讨，以及为什么 2025 年可能会被认为是量子改变方向的一年。

背景：漫长的赌博

多年来，微软一直是个异类。虽然 IBM 可以通过云进行访问，谷歌也声称拥有“量子霸权”，但微软拥有……理论。

他们把赌注押在了拓扑量子计算上。这是一种高风险、高回报的策略，基于埃托雷·马约拉纳 (Ettore Majorana) 1937 年的理论工作，他预测了一种粒子是其自身的反粒子。

标准量子位的问题

标准量子位（超导、俘获离子）是“局部的”。信息存储在特定的电子或离子中。如果你踢那个电子（带有噪音），你就会丢失数据。

拓扑解决方案

拓扑量子位是“非局部的”。信息并不存储在一个地方；而是存储在一个地方。它存储在粒子之间的“关系”中。想象一下绳子上有一个结。如果摇动绳子（发出噪音），结不会消失。要解开绳结，你必须剪断绳子或故意移动末端。局部噪声无法“解开”量子信息。

了解机器：“编织”的物理原理

这就是奇怪的地方。要了解马约拉纳 1，您必须了解任意子。

1. 非阿贝尔任意子

在我们的 3D 世界中，我们有费米子（物质）和玻色子（光）。在二维系统中，有第三类：任意子。 具体来说，微软使用“非阿贝尔任意子”。当你交换其中两个粒子时，你不仅改变了它们的位置，还改变了它们的位置。你从根本上改变了系统的状态。

2.“Tetron”架构

Majorana 1 芯片使用称为 Tetron 的基本单元。

• 结构：它是一个由铝纳米线和“拓扑导体”材料制成的H形装置。
• 魔法：每个 Tetron 都有四个马约拉纳零模式 (MZM)。
• 量子位：这四个 MZM 共同形成一个量子位。信息被编码在设备上电子的“奇偶校验”中（无论总数是偶数还是奇数）。

3. 编织作为计算

这是核心突破。要执行计算，您不需要使用微波脉冲（如 IBM）来改变量子位。您可以在身体上将马约拉纳人移动到彼此周围。

• 辫子：想象三个人跳舞。如果甲绕着乙走，他们会追踪一条路径。在量子世界中，这条路径是时空中的一条“辫子”。
• 结果：计算仅取决于辫子的拓扑结构（谁绕过谁）。他们走的是完美的圆圈还是摇摇晃晃的椭圆形并不重要。
• 免疫：因为具体路径并不重要——只有编织模式——震动系统（噪音）不会改变答案。

数据：微软 vs. 谷歌 (2025)

战略上的分歧现在正在产生可衡量的数据。

谷歌的“Willow”芯片（超导）

• 策略：强力纠错。
• 状态：Google 最近证明，通过使用 101 个物理量子位（距离 7 的代码），他们可以将错误率抑制到 0.143%。
• 轨迹：他们正在赢得工程战争。他们拥有量子比特，并且正在通过规模来消除错误。

微软的“Majorana 1”（拓扑）

• 策略：基于物理的保护。
• 状态：初始芯片创建原始物理错误率为 $10^{-4}$ 的量子位。
• The Kicker：由于错误处理是内置的，因此理论上它们需要少得多的物理量子位来生成逻辑量子位。微软声称他们可以达到 $10^{-6}$ 的逻辑错误率，且占用空间比 Google 的方法小得多。

行业影响

对密码学的影响（Q-Day 时钟）

如果拓扑量子位起作用，扩展就会变得容易得多。您不需要仓库大小的冷却系统来获得一百万个量子位；您可以将它们安装在服务器机架上。这将 Shor 算法（密码破译噩梦场景）的时间线加快了 3-5 年。

对材料科学的影响

Majorana 1 的主要用例是模拟量子系统（恰如其分）。微软已经与化学巨头合作，使用这种早期架构来模拟碳捕获的催化剂行为，这种模拟需要长时间的高保真度，而嘈杂的量子位却难以应对。

挑战与限制

一切并非一帆风顺。微软本质上是在尝试驾驶实验性喷气式飞机，而谷歌则在驾驶可靠的 747。

1. 制造地狱：构建“拓扑导体”需要奇异的材料和极其精确的制造。目前这些芯片的成品率只是标准硅的一小部分。
2. 控制复杂性：“编织”粒子比听起来更难。它需要复杂的“基于测量的”控制序列，该序列比标准门操作慢。
3. “慢”量子位：拓扑量子位的运行速度通常比超导传输量子位慢。微软押注“准确性”胜过“速度”，但对于某些算法来说，速度很重要。

下一步是什么？

短期（2026-2027）

预计微软将发布具有 64 个以上量子位的“Majorana 2”，旨在展示一个可以存活几分钟或几小时而不是毫秒的“逻辑”量子位。

长期（2030 年以上）

目标是“百万量子比特”机器。微软声称，由于 Tetron 的占地面积很小，他们可以在一块勉强能容纳 10,000 个谷歌 Transmons 的晶圆上安装 100 万个量子位。

底线

马约拉纳 1 号的发布证明了非阿贝尔任意子的“不可能”物理不仅仅是白板理论；它是一个可以插入的硬件。

在过去的十年里，我们一直在问：“我们如何修复量子计算机中的错误？”微软给出了不同的答案：“建造一台不制造它们的计算机。”

如果 Majorana 1 符合其规格，那么量子计算的“噪声时代”就刚刚收到了驱逐通知。

资料来源 (3)

• azure.microsoft.com Microsoft Azure Quantum Blog: The Majorana 1 Announcement
• nature.com Observation of Majorana Zero Modes
• quantumai.google Google Quantum AI: Error Correction Milestones