Microsoft 聲稱了一項(xiàng)重大的量子突破，但它有什么作用？

Microsoft 的研究人員已經(jīng)宣布在設(shè)備中創(chuàng)建第一個(gè)“拓?fù)淞孔颖忍亍?，該設(shè)備將信息存儲(chǔ)在 Exotic 中物質(zhì)狀態(tài)，這可能是量子計(jì)算.

與此同時(shí)，研究人員還發(fā)表了《自然》雜志上的一篇論文和一個(gè)”路線圖“進(jìn)行進(jìn)一步的工作。Majorana 1 處理器的設(shè)計(jì)應(yīng)該可容納多達(dá) 100 萬個(gè)量子比特，這可能足以實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的許多重要目標(biāo)，例如破解密碼和更快地設(shè)計(jì)新藥物和材料。

如果 Microsoft 的索賠成功，該公司可能已經(jīng)超越了 IBM 和 Google 等競爭對手，而這些競爭對手目前似乎是引領(lǐng)比賽要構(gòu)建量子計(jì)算機(jī).

然而，經(jīng)過同行評審的 Nature 論文只展示了研究人員所聲稱的部分內(nèi)容，并且路線圖仍然包括許多需要克服的障礙。

雖然 Microsoft 的新聞稿展示了一些應(yīng)該是量子計(jì)算硬件的東西，但我們沒有任何獨(dú)立確認(rèn)它能做什么。盡管如此，來自 Microsoft 的消息還是非常有希望的。

到現(xiàn)在為止，您可能有一些問題。什么是拓?fù)淞孔颖忍?？就此而言，量子比特到底是什么？為什么人們想?a data-linkid="73021" data-postid="152949">量子計(jì)算機(jī)首先？

量子比特很難構(gòu)建

量子計(jì)算機(jī)最早是在 1980 年代出現(xiàn)的。普通計(jì)算機(jī)以比特存儲(chǔ)信息，而量子計(jì)算機(jī)以量子比特或量子比特存儲(chǔ)信息。

普通位的值可以是 0 或 1，但量子位（多虧了控制非常小粒子的量子力學(xué)定律）可以具有兩者的組合。

如果將普通位想象成可以向上或向下的箭頭，那么量子比特就是可以指向任何方向的箭頭（或所謂的向上和向下的“疊加”）。

這意味著量子計(jì)算機(jī)對于某些類型的計(jì)算將比普通計(jì)算機(jī)快得多，尤其是與解開代碼和模擬自然系統(tǒng)有關(guān)的計(jì)算。

目前為止，一切都好。但事實(shí)證明，構(gòu)建真正的量子比特以及從中獲取信息是極其困難的，因?yàn)榕c外部世界的交互會(huì)破壞內(nèi)部微妙的量子態(tài)。

研究人員嘗試了許多不同的技術(shù)來制造量子比特，使用諸如被困在電場中的原子或超導(dǎo)體中旋轉(zhuǎn)的電流漩渦之類的東西。

細(xì)小的電線和奇異的顆粒

Microsoft 采用了一種非常不同的方法來構(gòu)建其“拓?fù)淞孔颖忍亍?。他們使用了所謂的馬約拉納粒子，該粒子由意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納 （Ettore Majorana） 于 1937 年首次提出理論。

馬約拉納斯不是像電子或質(zhì)子那樣天然存在的粒子。相反，它們只存在于一種稱為拓?fù)涞南∮胁牧现?a data-linkid="73019" data-postid="152949">超導(dǎo)體（這需要先進(jìn)的材料設(shè)計(jì)，并且必須冷卻到極低的溫度）。

事實(shí)上，馬約拉納顆粒是如此奇特，它們通常只在大學(xué)里研究，而不用于實(shí)際應(yīng)用。

Microsoft 團(tuán)隊(duì)表示，他們使用了一對細(xì)線來充當(dāng)量子比特，每根線的兩端都有一個(gè) Majorana 粒子。他們使用微波測量量子比特的值，即電子是位于一根導(dǎo)線中還是另一根導(dǎo)線中。

編織鉆頭

為什么 Microsoft 付出了所有這些努力？因?yàn)橥ㄟ^交換馬約拉納顆粒的位置（或以某種方式測量它們），它們可以被“編織”起來，這樣它們就可以無誤差地進(jìn)行測量，并且能夠抵抗外部干擾。（這是“拓?fù)淞孔颖忍亍钡摹巴負(fù)洹辈糠帧?/p>

從理論上講，使用 Majorana 粒子制造的量子計(jì)算機(jī)可以完全擺脫困擾其他設(shè)計(jì)的量子比特錯(cuò)誤。

這就是 Microsoft 選擇這樣一種看似費(fèi)力的方法的原因。其他技術(shù)更容易出錯(cuò)，可能需要將數(shù)百個(gè)物理量子比特組合在一起才能生成單個(gè)可靠的“邏輯量子比特”。

相反，Microsoft 將其時(shí)間和資源投入到開發(fā)基于 Majorana 的量子比特上。雖然他們是遲到的 Big Quantum 派對，他們希望能趕快趕上。

總有一個(gè)問題

與往常一樣，如果某件事聽起來好得令人難以置信，就會(huì)有一個(gè)陷阱。即使對于基于 Majorana 的量子計(jì)算機(jī)，例如 Microsoft 宣布的計(jì)算機(jī)，一項(xiàng)作（稱為 T 門）也無法在沒有錯(cuò)誤的情況下實(shí)現(xiàn)。

因此，基于 Majorana 的量子芯片只是“幾乎沒有錯(cuò)誤”。但是，校正 T 門誤差比其他量子平臺(tái)的一般誤差校正要簡單得多。

現(xiàn)在怎么辦？Microsoft 將嘗試推進(jìn)其路線圖，穩(wěn)步構(gòu)建越來越大的量子比特集合。

科學(xué)界將密切關(guān)注 Microsoft 的量子計(jì)算處理器的運(yùn)行方式，以及它們與其他已建立的量子計(jì)算處理器相比的性能。

與此同時(shí)，全球各地的大學(xué)將繼續(xù)對馬約拉納粒子的奇特和晦澀行為進(jìn)行研究。

斯蒂芬·雷切爾， 物理學(xué)院教授，墨爾本大學(xué)

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