微軟(Microsoft)於2025年2月19日發布Majorana 1量子計算晶片，展現該公司近二十年量子技術的重要里程碑。這款晶片為全球首個由拓撲核心架構驅動的量子處理器，利用一種新型材料「topoconductor」使微軟能夠創建和控制Majorana粒子。據微軟稱，這些粒子形成高度穩定的拓撲量子位元，即量子計算的基本構建單元。
Majorana 1 Explained: The Path to a Million Qubits
什麼是量子計算？
試想一台如此強大的電腦，能解決當今超級計算機無法處理的問題。這就是量子計算的理念。與使用非0即1的位元的普通計算機不同，量子計算機使用量子位元。量子位元的特殊之處在於它們可以同時處於0、1或兩者狀態，這要歸功於量子特性疊加態。這使量子計算機能同時處理大量資訊，在以下任務中可能帶來革命性變化：- 為藥物發現模擬複雜分子
- 改善龐大系統如交通或供應鏈
- 解決困難的數學問題
但有一個問題：量子位元極為脆弱。它們可能因為微小干擾（如熱量或噪音）而失去量子狀態及其資訊。這種脆弱性是使量子計算機實用化的最大障礙之一。
什麼是Majorana 1晶片？
微軟的Majorana 1晶片是一種新型量子處理單元(QPU)，正是為了解決這個脆弱性問題。它是第一個使用拓撲核心的晶片，這是一種利用稱為Majorana粒子的奇特粒子的尖端方法。這些粒子有助於創建稱為拓撲量子位元的特殊量子位元，比大多數其他量子計算機中的量子位元更穩定。
- 材料：使用一種稱為拓撲導體的新型材料，使微軟能夠觀察和控制Majorana粒子。
- 穩定性：由於Majorana粒子的獨特性質，它創建的拓撲量子位元較不易出錯。
- 可擴展性：晶片目前擁有八個拓撲量子位元，但微軟設計最終支持一百萬個量子位元，比當今量子計算機的幾百個量子位元有著極大飛躍性成長。
Majorana 1晶片如何運作？
Majorana 1晶片依靠Majorana粒子運作，這些粒子之所以引人入勝，是因為它們本身就是反粒子。這一特性使它們成為以自然防護某些錯誤方式存儲量子資訊的理想選擇。想像一下：
- 把普通量子位元想像成一枚旋轉的硬幣，很容易被微風吹倒。
- 拓撲量子位元更像是繩子上打的結——無論你怎麼搖晃它，結都保持安全。
微軟透過使用「topoconductor」（一種結合導體和拓撲絕緣體特性的材料）來達到創建和操縱Majorana粒子時形成穩定的量子位元，不需要像其他量子系統有太多的額外錯誤修正。
為什麼這是一個重大突破？
量子計算一直處於棘手的處境，因為目前系統中的量子位元如此脆弱，以至於構建實用、大規模的量子計算機一直是遙遠的夢想。這次微軟推出的Majorana 1晶片可能改變這一點，透過減少錯誤，拓撲量子位元可以使量子計算機更可靠。另外微軟聲稱這項技術可以加速量子計算機在數年而非數十年內解決實際問題——如設計新材料或改善產業。微軟經過近20年的研究，這個晶片某種程度成功展現微軟正在量子計算方面取得真正進展。
有哪些挑戰？
即使有這一突破，量子計算仍然存在的一些障礙。首先，從八個量子位元增加到一百萬是一個巨大的工程挑戰。這不僅是增加更多量子位元，這些量子位元都需要完美地協同工作。接著雖然拓撲量子位元更穩定，但該技術仍需證明它能在規模上處理實際情況。目前也有專家質疑微軟宣稱的發展時間表，尤其量子計算領域有過許多次大膽承諾的歷史，並非所有承諾都如預期那樣快速實現。
Majorana 1晶片對未來可能意味著什麼？
如果微軟成功，Majorana 1晶片可能成為一個轉折點。擁有一百萬個穩定量子位元的量子計算機可能：
- 透過加速藥物開發革新醫療保健。
- 透過創建新的加密方法提升網路安全（雖然也可能是先破解目前加密方法）。
- 透過改善從航運路線到能源網絡的一切來改變物流等等。
透過使用Majorana粒子創建穩定、可擴展的量子位元，微軟正在解決該領域最棘手的問題之一。Majorana 1晶片顯然還不是成品，仍有大量研究工作要做，但微軟展示了未來量子計算可能解決我們今天幾乎無法想像問題的未來。如果微軟的願景成真，我們可能比想像的更接近那個未來。
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