本文来自微信公众号“电子发烧友网”，【作者】吴子鹏。
电子发烧友网报道（文/吴子鹏）当地时间本周三（2月20日），微软公司宣布推出其首款量子计算芯片，命名为Majorana 1。微软在《自然》杂志上发表的一篇同行评审论文中详细阐述了该研究成果，他们创造了一种由砷化铟和铝制成的新材料，并在芯片上集成了8个拓扑量子比特，且有望最终扩展至百万个。
Majorana 1芯片，图源：微软
从量子比特数量来看，微软首款量子芯片与全球领先水平存在一定差距，其量子比特数量少于IBM最新处理器R2 Heron芯片的156个，也不及谷歌Willow芯片的105个以及国产量子芯片“祖冲之三号”超导量子芯片的105个。这不禁让人产生疑问，微软潜心研究17年，发布的竟是这样一款量子比特数量不多的“落后”芯片，它究竟有何特别之处？
量子计算：未来科技竞争的焦点
在科技飞速发展的当下，量子计算正逐渐成为未来科技竞争的核心领域。量子计算基于量子力学原理，借助量子比特的叠加态和纠缠态等特殊性质，拥有远超传统计算机的计算能力。这种强大算力能在极短时间内完成传统计算机需要漫长时间才能处理的复杂计算任务，为众多领域带来革命性突破。
全球各国都敏锐洞察到量子计算的巨大潜力，纷纷加大投入，展开激烈竞争。美国凭借雄厚的科研实力和丰富资源，在量子计算领域持续发力，众多科技巨头和顶尖科研机构不断取得新突破；欧洲各国通过联合项目等形式整合资源，共同推动量子技术发展；中国近年来在量子计算领域成绩斐然，从量子卫星的成功发射到量子芯片技术的不断创新，彰显出强大的科研实力和追赶决心。
全球量子芯片发展现状
目前，已发布的量子芯片中，IBM最新处理器R2 Heron芯片较为领先，也称为第二代IBM Quantum Heron R。该处理器计算速度相较前代提升了50倍，可支持高达5,000次双量子比特门操作。R2 Heron芯片采用156个量子比特，构建成六边形晶格结构，并引入双级系统缓解机制，有效减少量子比特之间的干扰，配合可调耦合器设计抑制信号串扰。
IBM Quantum Heron R，图源：IBM
在R2 Heron芯片之后，IBM还有更大的发展计划，致力于在2025年底前推出IBM Quantum Flamingo。通过连接两个Heron R2芯片，Flamingo实现了长距离量子比特门操作，为构建大规模量子系统奠定了基础，在长线路运行方面具有优势。配合IBM对量子系统软件栈的更新优化，如引入参数化编译等，能够支持每秒超过150,000次线路层操作（CLOPS）。同时，IBM计划打造由三个Flamingo处理器组成的量子系统，共计1,386个量子比特。
IBM Quantum Flamingo，图源：IBM
除美国外，欧洲也有领先的量子芯片案例，包括Oxford Ionics的离子阱量子芯片、Pasqal的基于中性原子的量子芯片、IQM的超导量子芯片。其中，Oxford Ionics的离子阱量子芯片摒弃传统依赖激光操控量子比特的方式，将离子阱技术与硅芯片技术相结合，把量子比特的控制组件直接嵌入到硅片中。在双量子比特门操作中，保真度达到了99.97%；单量子比特操作实现的保真度达到99.9992%。该公司计划打造可扩展的256量子比特芯片，且能在现有的半导体生产线上进行生产。
我国量子芯片的发展也处于全球第一梯队。前面提到的“祖冲之三号”芯片，由中国科学技术大学及其合作团队研发，采用先进的倒装芯片技术，集成了105个量子比特和182个耦合器。单量子比特门、双量子比特门和读取保真度分别达到了99.90%、99.62%和99.18%。还有一款“悟空芯”，由本源量子研发，是中国最新自主可控的超导量子芯片，型号为夸父kfc72-300，搭载于第三代自主超导量子计算机“本源悟空”上，拥有72个超导量子比特。
“祖冲之三号”芯片，图源：《自然》杂志
微软Majorana 1芯片：实力不容小觑
对于量子芯片而言，通常量子比特位数越多，计算能力呈指数级增长。量子计算的强大之处在于量子比特的叠加和纠缠特性，每增加一个量子比特，量子系统能表示的状态数量就会翻倍。例如，1个量子比特可以表示2种状态，2个量子比特可以表示4种状态，3个量子比特就可以表示8种状态，以此类推，n个量子比特可以表示2ⁿ种状态。这意味着量子比特位数的增加能让量子计算机在相同时间内处理更多的数据，解决更复杂的问题。
从这个角度看，微软新发布的Majorana 1芯片似乎竞争力不足。不过，微软发布这款芯片的目的并非展示其强大的计算性能，而是诠释一种全新的量子计算技术。
据悉，微软已花费17年时间致力于为量子计算创造新材料和新架构。Majorana 1芯片采用拓扑核心架构，利用拓扑导体材料砷化铟和铝，通过分子束外延技术进行原子级制造。该芯片能形成马约拉纳零能模，以此构建的拓扑量子比特具有非阿贝尔统计特性，可非局域存储量子信息，比传统超导、离子阱等量子比特抗环境干扰能力更强，为量子计算稳定性筑牢基础。
同时，Majorana 1芯片的拓扑量子比特采用数字控制，通过简单脉冲连接量子点和纳米线，相比传统量子比特需复杂模拟信号，操作更简单、容错率更高。在Majorana 1芯片之后，微软设想未来该芯片最终能容纳100万个量子比特。目前，该芯片的能力仅限于解决数学问题，以证明其可控性。
微软的工程师表示，拓扑量子比特的发展已经足够成熟，可以作为未来量子计算机的基础。随着技术的不断进步，微软的量子计算之路或许将给我们带来更多惊喜。
