電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文 / 吳子鵬）當(dāng)?shù)貢r(shí)間本周三（2 月 20 日），微軟公司宣布推出其首款量子計(jì)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(píng)審論文中詳細(xì)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(gè)拓?fù)淞孔颖忍兀矣型罱K擴(kuò)展至百萬個(gè)。

Majorana 1芯片，圖源：微軟

從量子比特?cái)?shù)量來看，微軟首款量子芯片與全球領(lǐng)先水平存在一定差距，其量子比特?cái)?shù)量少于 IBM 最新處理器 R2 Heron 芯片的 156 個(gè)，也不及谷歌 Willow 芯片的 105 個(gè)以及國產(chǎn)量子芯片 “祖沖之三號(hào)” 超導(dǎo)量子芯片的 105 個(gè)。這不禁讓人產(chǎn)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?cái)?shù)量不多的 “落后” 芯片，它究竟有何特別之處？

量子計(jì)算：未來科技競爭的焦點(diǎn)

在科技飛速發(fā)展的當(dāng)下，量子計(jì)算正逐漸成為未來科技競爭的核心領(lǐng)域。量子計(jì)算基于量子力學(xué)原理，借助量子比特的疊加態(tài)和糾纏態(tài)等特殊性質(zhì)，擁有遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。這種強(qiáng)大算力能在極短時(shí)間內(nèi)完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要漫長時(shí)間才能處理的復(fù)雜計(jì)算任務(wù)，為眾多領(lǐng)域帶來革命性突破。

全球各國都敏銳洞察到量子計(jì)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(shí)力和豐富資源，在量子計(jì)算領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，眾多科技巨頭和頂尖科研機(jī)構(gòu)不斷取得新突破；歐洲各國通過聯(lián)合項(xiàng)目等形式整合資源，共同推動(dòng)量子技術(shù)發(fā)展；中國近年來在量子計(jì)算領(lǐng)域成績斐然，從量子衛(wèi)星的成功發(fā)射到量子芯片技術(shù)的不斷創(chuàng)新，彰顯出強(qiáng)大的科研實(shí)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(lǐng)先，也稱為第二代 IBM Quantum Heron R。該處理器計(jì)算速度相較前代提升了 50 倍，可支持高達(dá) 5,000 次雙量子比特門操作。R2 Heron 芯片采用 156 個(gè)量子比特，構(gòu)建成六邊形晶格結(jié)構(gòu)，并引入雙級(jí)系統(tǒng)緩解機(jī)制，有效減少量子比特之間的干擾，配合可調(diào)耦合器設(shè)計(jì)抑制信號(hào)串?dāng)_。

IBM Quantum Heron R，圖源：IBM

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

IBM Quantum Flamingo，圖源：IBM

除美國外，歐洲也有領(lǐng)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(dǎo)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(shù)與硅芯片技術(shù)相結(jié)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(dá)到了 99.97%；單量子比特操作實(shí)現(xiàn)的保真度達(dá)到 99.9992%。該公司計(jì)劃打造可擴(kuò)展的 256 量子比特芯片，且能在現(xiàn)有的半導(dǎo)體生產(chǎn)線上進(jìn)行生產(chǎn)。

我國量子芯片的發(fā)展也處于全球第一梯隊(duì)。前面提到的 “祖沖之三號(hào)” 芯片，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)及其合作團(tuán)隊(duì)研發(fā)，采用先進(jìn)的倒裝芯片技術(shù)，集成了 105 個(gè)量子比特和 182 個(gè)耦合器。單量子比特門、雙量子比特門和讀取保真度分別達(dá)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(dǎo)量子芯片，型號(hào)為夸父 kfc72 - 300，搭載于第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī) “本源悟空” 上，擁有 72 個(gè)超導(dǎo)量子比特。

“祖沖之三號(hào)” 芯片，圖源：《自然》雜志

微軟 Majorana 1 芯片：實(shí)力不容小覷

對(duì)于量子芯片而言，通常量子比特位數(shù)越多，計(jì)算能力呈指數(shù)級(jí)增長。量子計(jì)算的強(qiáng)大之處在于量子比特的疊加和糾纏特性，每增加一個(gè)量子比特，量子系統(tǒng)能表示的狀態(tài)數(shù)量就會(huì)翻倍。例如，1 個(gè)量子比特可以表示 2 種狀態(tài)，2 個(gè)量子比特可以表示 4 種狀態(tài)，3 個(gè)量子比特就可以表示 8 種狀態(tài)，以此類推，n 個(gè)量子比特可以表示 2?種狀態(tài)。這意味著量子比特位數(shù)的增加能讓量子計(jì)算機(jī)在相同時(shí)間內(nèi)處理更多的數(shù)據(jù)，解決更復(fù)雜的問題。

從這個(gè)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(qiáng)大的計(jì)算性能，而是詮釋一種全新的量子計(jì)算技術(shù)。

據(jù)悉，微軟已花費(fèi) 17 年時(shí)間致力于為量子計(jì)算創(chuàng)造新材料和新架構(gòu)。Majorana 1 芯片采用拓?fù)浜诵募軜?gòu)，利用拓?fù)鋵?dǎo)體材料砷化銦和鋁，通過分子束外延技術(shù)進(jìn)行原子級(jí)制造。該芯片能形成馬約拉納零能模，以此構(gòu)建的拓?fù)淞孔颖忍鼐哂蟹前⒇悹柦y(tǒng)計(jì)特性，可非局域存儲(chǔ)量子信息，比傳統(tǒng)超導(dǎo)、離子阱等量子比特抗環(huán)境干擾能力更強(qiáng)，為量子計(jì)算穩(wěn)定性筑牢基礎(chǔ)。

同時(shí)，Majorana 1 芯片的拓?fù)淞孔颖忍夭捎脭?shù)字控制，通過簡單脈沖連接量子點(diǎn)和納米線，相比傳統(tǒng)量子比特需復(fù)雜模擬信號(hào)，操作更簡單、容錯(cuò)率更高。在 Majorana 1 芯片之后，微軟設(shè)想未來該芯片最終能容納 100 萬個(gè)量子比特。目前，該芯片的能力僅限于解決數(shù)學(xué)問題，以證明其可控性。

微軟的工程師表示，拓?fù)淞孔颖忍氐陌l(fā)展已經(jīng)足夠成熟，可以作為未來量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，微軟的量子計(jì)算之路或許將給我們帶來更多驚喜。