微軟突破量子計算 首創拓撲導體驅動晶片 加速量子運算未來

量子電腦目前尚未普及，但很多科技公司和科學家相信，量子運算將在未來為科技發展帶來重大變革。微軟團隊最近創造了一種名為Majorana 1的新型運算晶片，這種晶片由拓撲導體（Topoconductor）驅動，有望加速量子計算機的發展。

拓撲導體展現了一種全新的物質狀態，既非固體、液體或氣體，而是拓樸狀態。這新物質狀態可能在未來促成以下的重要突破：

**量子片**：微軟正在研發的量子系統可以在單個晶片上擴展至100萬個量子位元，其小巧的設計可以放置在手掌中，這是一種新穎的量子位元架構。

**拓樸核心**：基於這新物質狀態，微軟已經創建了8個拓樸量子位元，更小、更快且更加穩定，尺寸不到1/100毫米，並具備高可靠性和硬體基礎的抗錯能力，以數碼方式控制。

拓撲超導態是一種理論中預測的新物質狀態，而微軟之所以能取得新進展，是因為其在閘極定義設備的設計和製造方面取得了創新，結合了半導體砷化銦和超導體鋁材質。這些設備在靠近絕對零度並經磁場調節後，可形成具有馬約拉納零模（Majorana zero modes, MZM）的拓撲超導納米線，而MZM位於納米線兩端。

MZM是微軟量子位元的核心組成部分，用「奇偶性」來儲存量子資訊，即納米線中電子數目的奇偶數。在傳統超導體中，電子會形成庫珀對，並以無阻力方式移動。

MZM具有隱藏特性，可以有效保護資訊。未成對電子需要額外能量才能被偵測到，但在拓撲導體中，一個未配對的電子會被一對MZM分享，因此隱藏在環境中。儘管拓撲導體是理想的量子位元候選者，但如何讀取隱蔽的資訊仍是一大挑戰。例如，要區分10億和10億零1個電子，微軟團隊提出了三種解決方案：

1. 使用數碼開關將納米線兩端連接至一個可以儲存電荷的量子點。
2. 此連接可增強量子點的電荷保持能力，確切增幅取決於納米線的奇偶性。
3. 使用微波測量變化，因為量子點的電荷能力會影響微波反射方式，因此微波會攜帶納米線量子狀態的信息返回。

設計過程中確保了這些變化足以進行可靠的單次測量。初始測量誤差率約為1%，並已找到減少誤差的方法。

傳統上，量子計算需要精準操作每個量子位元，而QEC依賴複雜操作來檢測和修正錯誤。微軟團隊簡化了QEC過程，他們透過簡單數碼脈衝來連接或斷開量子點與納米線進行誤差修正，使得管理大量實用性量子位元成為可能。

微軟技術研究員兼量子硬件副總裁Chetan Nayak提到，在18個月前制訂了實現量子超級計算機的藍圖，如今已達到第二個里程碑，向世界展示了首個拓撲量子位元。該設計能容納100萬個量子位元，目前已有8個拓撲量子位元被安置在片上。