微軟全球首款拓?fù)淞孔有酒琈ajorana?1的發(fā)布標(biāo)志著量子計算領(lǐng)域出現(xiàn)又一個重大突破。
當(dāng)前，全球各國在量子計算領(lǐng)域的競爭日益激烈，這一領(lǐng)域被視為未來科技發(fā)展的關(guān)鍵制高點(diǎn)之一。
盡管量子計算機(jī)的實現(xiàn)仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，如量子比特的相干性、錯誤校正和擴(kuò)展性等問題，但該技術(shù)在加密算法、分子模擬、人工智能、天氣預(yù)報、航空航天、國防安全以及科學(xué)研究等具有巨大的潛力。這使得各國科技巨頭和科研機(jī)構(gòu)均角逐這一極具前景性的技術(shù)。
當(dāng)?shù)貢r間2月19日，微軟公司歷時近20年研發(fā)，發(fā)布了全球首款拓?fù)淞孔有酒琈ajorana 1，計劃在2030年之前上市。微軟表示，就像半導(dǎo)體的發(fā)明使得當(dāng)今的智能手機(jī)、電腦和電子產(chǎn)品成為可能一樣，拓?fù)鋵?dǎo)體及其新型芯片為開發(fā)可擴(kuò)展到百萬量子比特的量子系統(tǒng)提供了一條途徑，能夠解決最復(fù)雜的工業(yè)和社會問題。
全球首款拓?fù)淞孔有酒琈ajorana 1 圖源：微軟
對于這一量子芯片，微軟董事長兼CEO薩蒂亞·納德拉認(rèn)為：“這一突破將使我們在幾年內(nèi)，而不像一些人預(yù)測的那樣用幾十年，創(chuàng)造出一臺真正有意義的量子計算機(jī)。”
此前，有權(quán)威專家預(yù)測，未來10-15年，數(shù)百萬量子位相干的操縱的量子芯片將被研發(fā)出來，將為通用的量子計算奠定基礎(chǔ)。然而，微軟、谷歌等科技巨頭基于當(dāng)前的研究成果認(rèn)為，這一技術(shù)的實現(xiàn)時間將被進(jìn)一步提前，或未來數(shù)年內(nèi)研發(fā)出大規(guī)模量子計算機(jī)，引發(fā)新一輪科技革命。
堪比“人類智慧的巔峰挑戰(zhàn)”
目前，量子計算機(jī)的研發(fā)面臨諸多技術(shù)和工程上的挑戰(zhàn)。其中，量子計算機(jī)的核心是量子比特（qubits），但量子比特非常脆弱，容易受到外部干擾，如熱噪聲、電磁干擾和振動等，導(dǎo)致退相干現(xiàn)象。這種退相干會破壞量子態(tài)的疊加和糾纏，從而影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
同時，量子計算機(jī)的錯誤率目前仍然是一個重大障礙。量子比特的操控保真度通常低于99%，這使得容錯編碼變得非常困難。為了實現(xiàn)商業(yè)可行性，需要大幅降低錯誤率，特別是在大規(guī)模量子計算機(jī)中。
其次，量子計算機(jī)通常需要在接近絕對零度（-273.15°C/0 K）的溫度下運(yùn)行，以減少熱噪聲并增強(qiáng)量子相干性。這需要復(fù)雜的冷卻技術(shù)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。
此外，量子糾錯是解決錯誤率問題的關(guān)鍵技術(shù)，但目前仍處于探索階段。而且，量子計算機(jī)的硬件制造非常復(fù)雜，需要高精度的設(shè)備和材料。
當(dāng)然，量子比特的可擴(kuò)展性、算法開發(fā)、環(huán)境干擾、人才短缺和技術(shù)路線多樣化等也是需要解決的難題。
中國科學(xué)院院士薛其坤也曾表示，盡管量子計算正處于快速發(fā)展之中，但實現(xiàn)通用量子計算機(jī)過程中面臨的五大核心挑戰(zhàn)，包括錯誤率、相干時間、制冷設(shè)備、硬件方案和量子特性的不確定性。而突破這些難關(guān)，需要通過跨學(xué)科的合作和持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新來逐步實現(xiàn)。因此，實現(xiàn)通用量子計算的過程被人喻為人類首次登月一般艱巨，將是人類智慧的巔峰挑戰(zhàn)。
據(jù)悉，2005年，微軟啟動量子計算研究，組建Station Q實驗室，聯(lián)合菲爾茲獎得主Michael Freedman和拓?fù)淞孔永碚撓闰?qū)Alexei Kitaev。2018年，微軟首次實驗驗證Majorana費(fèi)米子的存在，為拓?fù)淞孔颖忍氐於ㄎ锢砘A(chǔ)。
目前，微軟是受邀進(jìn)入美國國防高級研究計劃局（DARPA）實用規(guī)模量子計算未充分探索系統(tǒng) (US2QC) 項目最后階段的兩家公司之一。US2QC項目是DARPA更大規(guī)模的量子基準(zhǔn)測試計劃的組成部分之一，旨在打造業(yè)界首臺實用規(guī)模容錯量子計算機(jī)，即計算價值超過其成本的量子計算機(jī)。
此前，微軟將量子計算分為基礎(chǔ)、彈性和規(guī)模三個階段。其中，在基礎(chǔ)階段，微軟通過Azure Quantum將量子計算機(jī)引入云端。在彈性階段，微軟從物理量子比特過渡到邏輯量子比特，提高穩(wěn)定性。在規(guī)模階段，微軟設(shè)計了一臺可編程的量子超級計算機(jī)，擁有至少100萬個每秒可靠的量子操作數(shù)。
2024年，微軟與Quantinuum合作實現(xiàn)12個邏輯量子比特，錯誤率降低800倍，標(biāo)志進(jìn)入彈性量子計算階段。而微軟全球首款拓?fù)淞孔有酒琈ajorana 1的發(fā)布標(biāo)志著量子計算領(lǐng)域出現(xiàn)又一個重大突破。
據(jù)悉，這一突破需要開發(fā)一種由砷化銦和鋁制成的全新材料堆棧，其中大部分都是微軟逐個原子設(shè)計和制造的。微軟表示，目標(biāo)是誘導(dǎo)出名為馬約拉納粒子的新量子粒子，并利用其獨(dú)特性質(zhì)進(jìn)入量子計算的下一個領(lǐng)域。
全球首款拓?fù)淞孔有酒?/b>推進(jìn)商業(yè)化應(yīng)用
拓?fù)鋵?dǎo)體，又稱拓?fù)涑瑢?dǎo)體，是一種特殊的材料，可以創(chuàng)造一種全新的物質(zhì)狀態(tài)——不是固體、液體或氣體，而是拓?fù)錉顟B(tài)。利用這種狀態(tài)可以產(chǎn)生更穩(wěn)定的量子比特，這種量子比特速度快、體積小，并且可以數(shù)字控制，而無需像目前的替代方案那樣進(jìn)行權(quán)衡。
據(jù)悉，微軟的Majorana 1芯片通過拓?fù)淞孔蛹軜?gòu)解決了穩(wěn)定性與可擴(kuò)展性難題，或可將量子計算機(jī)商業(yè)化時間表縮短至5-10年。
據(jù)介紹，Majorana 1芯片的技術(shù)創(chuàng)新在于，采用了全球首個拓?fù)鋵?dǎo)體材料，這種材料能夠觀察和控制馬約拉納粒子（Majorana fermions）。而馬約拉納粒子是一種特殊的準(zhǔn)粒子，具有自反粒子性質(zhì)，能夠在特定條件下穩(wěn)定存在，不易受到環(huán)境噪聲的影響。
同時，拓?fù)淞孔颖忍赝ㄟ^拓?fù)浔Ｗo(hù)機(jī)制，能夠減少量子糾錯的需求，從而提高量子計算的穩(wěn)定性和可靠性。這種保護(hù)機(jī)制使得量子比特在接近絕對零度的條件下仍能保持穩(wěn)定運(yùn)行。
不過，微軟表示，開發(fā)合適的材料來構(gòu)建量子比特，并理解量子比特相關(guān)的物質(zhì)拓?fù)錉顟B(tài)的難度極大。這也是大多數(shù)量子研究都集中在其他類型量子比特的原因。微軟執(zhí)行副總裁Jason Zander介紹，“最難的部分是解決物理問題。這方面沒有教科書，我們必須自己發(fā)明，通過一個一個原子、一層一層地構(gòu)建。”
盡管Majorana 1芯片僅集成了8個量子比特，遠(yuǎn)少于谷歌和IBM構(gòu)建的量子芯片，比如谷歌Willow芯片擁有105個物理量子比特，但微軟表示，它可以通過構(gòu)建更少的量子比特數(shù)實現(xiàn)更強(qiáng)的量子糾錯能力。
目前，Majorana 1芯片僅限于解決數(shù)學(xué)問題，但微軟表示，通過這個“全球首款拓?fù)浼軜?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(jī)，將是未來幾年就能實現(xiàn)的事情。
按照規(guī)劃，若其技術(shù)路線成功，微軟計劃未來擴(kuò)展到100萬個量子比特，預(yù)計在2030年代初期滲透至材料科學(xué)、AI加速和密碼學(xué)等領(lǐng)域，為大規(guī)模量子計算奠定了基礎(chǔ)。
中國科學(xué)院院士潘建偉也表示，“如果能夠?qū)崿F(xiàn)，而且有非常扎實的技術(shù)基礎(chǔ)，拓?fù)淞孔颖忍貙屃孔佑嬎阕兊酶尤菀住?rdquo;他還指出，新的2D材料在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的應(yīng)用將會有很大的潛力，因為典型的傳統(tǒng)材料在拓?fù)漕I(lǐng)域有一定的局限，有時會帶來一些錯誤的結(jié)果。
量子計算領(lǐng)域競爭日益激烈
當(dāng)前，全球各國在量子計算領(lǐng)域的競爭日益激烈，各國政府和企業(yè)紛紛加大投入，推動量子計算技術(shù)的發(fā)展。美國和中國在這一領(lǐng)域的競爭尤為激烈，但其他國家或地區(qū)如歐盟、日本、印度等也在積極追趕。
其中，美國在量子計算領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，政府和企業(yè)投入巨大。美國早在2018年就通過了《國家量子倡議法案》，推動量子計算的發(fā)展，并計劃在未來十年內(nèi)投入100億美元用于量子信息科學(xué)的研究和開發(fā)。2024年12月，美國參議院又修訂發(fā)布了《國家量子倡議重新授權(quán)法案》，加大對美國量子技術(shù)發(fā)展的支持力度。此外，美國的科技巨頭如IBM、谷歌、微軟和英特爾等也在積極研發(fā)量子計算機(jī)，這些公司在超導(dǎo)量子比特、離子阱量子比特和光量子計算等多個領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。
而中國則通過“十四五”規(guī)劃和相關(guān)政策支持量子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在量子計算硬件技術(shù)方面取得了多項突破。2023年10月，中國成功構(gòu)建了“九章三號”量子計算原型機(jī)，擁有255個光子，處理速度比全球最快的超級計算機(jī)快一億億倍。2024年4月，中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院交付了一款504比特超導(dǎo)量子計算芯片“驍鴻”，刷新了國內(nèi)超導(dǎo)量子比特數(shù)量的紀(jì)錄。2024年12月，潘建偉院士團(tuán)隊在arXiv平臺上發(fā)布研制的具備105個量子比特的超導(dǎo)量子計算機(jī)“祖沖之三號”。實驗數(shù)據(jù)顯示，“祖沖之三號”的性能優(yōu)于谷歌“懸鈴木”，各項性能指標(biāo)也與谷歌最新發(fā)布的Willow達(dá)到同一量級。
同時，中國量子計算的應(yīng)用場景廣泛，包括密碼學(xué)、人工智能、化學(xué)模擬、優(yōu)化問題等。比如，從2024年1月6日至今，“本源悟空”第三代自主超導(dǎo)量子計算機(jī)已為全球139個國家和地區(qū)提供超過32萬個量子計算任務(wù)。
歐盟自2018年起啟動了價值10億歐元的量子技術(shù)旗艦計劃（Quantum Flagship），旨在推動量子計算、量子模擬、量子通信和量子傳感等領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。該計劃得到了歐盟委員會的持續(xù)支持，并在2024年發(fā)布了新版量子旗艦計劃《戰(zhàn)略研究和產(chǎn)業(yè)議程》，提出了短期（2027年）和中期（2030年）的發(fā)展目標(biāo)。盡管歐洲在資金投入上不及美國和中國，但其在學(xué)術(shù)研究和技術(shù)創(chuàng)新方面具有明顯優(yōu)勢。歐洲預(yù)計到2030-2035年，通用量子優(yōu)勢機(jī)器將問世，這將使量子計算在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破性應(yīng)用。
日本在量子計算領(lǐng)域也有顯著進(jìn)展，制定了量子計算發(fā)展戰(zhàn)略，并在量子糾纏和量子隱形傳態(tài)等研究方面取得了重要成果。日本還計劃到2025年將量子應(yīng)用供應(yīng)商數(shù)量增加至120家。
此外，其他國家或地區(qū)如加拿大、澳大利亞、俄羅斯、伊朗、巴西和南非等也在積極發(fā)展量子計算技術(shù)。這些國家或地區(qū)通過政府資助或與國際組織合作，推動量子計算的研究和應(yīng)用。
2025年，是聯(lián)合國宣布的“世界量子科技年”。盡管量子計算仍然面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，但其潛在應(yīng)用前景廣闊，未來有望在多個領(lǐng)域帶來革命性的變革。
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