一个掌心大小的量子计算机芯片可以解决当前超级计算机需要花费数千年才能破解的问题，标志着向实用量子计算迈出的关键一步。
这款名为Majorana 1的新芯片 从根本上改变了量子计算机的构建和运行方式。虽然当今的量子计算机占满了整个房间，并且需要复杂的冷却系统，但微软的突破表明，这些强大的机器有朝一日可能会像我们智能手机中的处理器一样普遍。
想象一下用传统方式解决拼图游戏和数千只手同时工作之间的区别。传统计算机每次只解决一个问题，而量子计算机可以同时探索多个解决方案。
保持这些量子系统的稳定一直是一大挑战。它们通常非常脆弱，哪怕是最轻微的干扰也会导致错误。微软的解决方案引入了一种称为顶部导体的新型材料，使量子比特 (qubits) 更加稳定可靠。
“我们退一步思考，然后说，‘好吧，让我们发明量子时代的晶体管。它需要具备什么特性？’”微软技术研究员 Chetan Nayak 说道。
走向实用的量子计算之路
创新之处在于这些量子比特的生成方式。微软没有采用传统方法，而是开发了一种独特的材料，将砷化铟和铝结合在一起，逐个原子构建而成。这种材料可以生成称为马约拉纳粒子的奇异粒子，从而比以往更好地保护量子信息。
该芯片的架构同样具有创新性。它采用 H 形结构，每个“H”包含四个可控制的马约拉纳粒子，形成一个量子比特。这些结构可以像瓷砖一样连接在芯片上，为扩展到 100 万个量子比特提供了清晰的途径——这是解决有意义问题的关键门槛。
这种方法与传统的量子计算机有很大不同。当前的系统面临两大挑战：它们需要巨大的空间和复杂的系统才能运行，并且它们的量子比特非常不稳定。
Majorana 1 通过其紧凑的设计和固有稳定的架构解决了这两个问题。
实际应用
实际影响远远超出实验室范围。这项技术可能会彻底改变我们应对全球挑战的方式。科学家可以开发出可以自我修复的材料，例如修复桥梁裂缝或车门上的划痕。
他们可以找到分解污染海洋的微塑料的方法，通过了解量子水平上的分子相互作用来设计更有效的药物，甚至通过改进农业流程来对抗全球饥饿。
微软技术研究员 Matthias Troyer 表示：“任何制造产品的公司都可以在第一次就设计出完美的产品。它只会给你答案。量子计算机教会人工智能自然语言，这样人工智能就可以告诉你想要制造什么的配方。”
前所未有的精度
该芯片的精度非常高，它可以检测出超导导线中十亿个电子和十亿个电子之间的差异。与需要不断调整的传统量子计算机不同，Majorana 1 的测量工作更像是轻按电灯开关，这使得量子计算更加实用。
这种测量和控制的简化可能是实现量子计算的关键。该系统不需要对每个量子比特进行复杂的微调，而是可以进行数字控制，从而大大简化了量子计算机的运行方式。
从实验室到现实
这一进展引起了美国国防高级研究计划局 (DARPA) 的关注，该局已将微软纳入其评估量子计算技术的计划。该公司目前是 DARPA 未充分探索的实用级量子计算系统计划最后阶段的两家公司之一。
完整的系统不仅仅是芯片。它包括操作量子比特的控制电子设备、使芯片保持比外太空温度更低的特殊制冷机，以及允许量子计算机与传统计算机和人工智能系统协同工作的软件。
微软已经在该芯片上放置了八个拓扑量子比特，展示了其扩展到更大系统的潜力。
行业合作与未来发展
微软并非孤军奋战。通过与 Quantinuum 和 Atom Computing 及其 Azure Quantum 平台的合作，该公司正在推进量子计算能力，同时让研究人员和公司能够使用现有系统。
这些合作反映了量子计算发展的更广泛趋势，即不同技术方法之间的合作有助于推动该领域的发展。
例如，Azure Quantum 平台允许研究人员和企业尝试量子算法和应用程序，为实用量子计算时代做好准备。
未来之路
虽然未来还有更多的工程工作来完善流程和扩大技术规模，但微软已经克服了许多复杂的科学挑战，并得到了《自然》杂志同行评审的验证。尽管最初被认为风险很高，但该公司的量子计算方法现在显示出令人鼓舞的结果。
“从一开始，我们就想制造一台具有商业影响力的量子计算机，而不仅仅是思想领导力”，特洛耶说。“我们知道我们需要一个新的量子比特。我们知道我们必须扩大规模”。
这一进展让实用的量子计算（之前被认为是一项遥远的未来技术）更接近现实。一旦完全实现，它可能会改变我们解决社会上最具挑战性的问题的方式，从气候变化到医学研究，让以前不可能的事情成为可能。
解决化学、材料科学和其他领域的复杂问题的能力可以加速各个行业的创新，并可能带来造福社会的突破。
