Majorana 1：微软的量子计算工作（第二部分）

上周，我们讨论了量子计算的概念。今天，我们将继续探讨量子处理器的两种主要类型、该领域面临的一些挑战、Majorana 1 与其竞争对手的区别，以及它是否真的在革命化量子计算行业。

量子计算的硬件解析

在Majorana 1 之前主要有两种量子处理器。

第一种是超导量子处理器，它使用超导材料形成通常由约瑟夫森结（超导材料之间的薄绝缘屏障）组成的电路，并可用于创建量子比特。然后可以通过量子门施加的微波脉冲来测量和操纵这些量子比特，从而实现类似于经典逻辑门的操作。

“超导体”只是一个花哨的名称，指的是在冷却到其超导温度以下时具有零电阻的材料（某些材料的超导温度接近绝对零度），这意味着没有能量以热量的形式损失。此外，由于迈斯纳效应，它们可以排斥磁体，这就是为什么超导体在磁悬浮（磁浮）中很有用，但更重要的是，它们对超导量子处理器至关重要。

你看，量子比特容易受到一种称为量子退相干的影响，其中噪声（指不需要的干扰）会降低计算性能。噪声有许多不同类型，包括量子噪声（量子系统固有的不确定性）、环境噪声（来自外部因素，如电磁辐射、温度波动和振动）、热噪声（即使在最低温度下也会发生，导致量子比特激发）、闪烁噪声（以频率相关的功率谱密度为特征）和磁通噪声（由于环境波动引起的磁通变化）。迈斯纳效应通过形成处理器周围的外部磁屏障，帮助减轻磁噪声的影响，确保系统的相对稳定性和相干性。

这些超导量子处理单元可以通过将它们集成到更大的电路中来扩展，从而扩大该技术的潜力。

除了超导量子处理器，还有由 IonQ 开发的“离子阱量子处理器”。这些处理器使用离子作为量子比特，这些离子的内部能级可用于表示量子态 0 和 1。

“阱”指的是通过激光束或射频陷阱产生的电磁场来限制这些离子的机制。这提供了对其位置和运动的精确控制，激光还可以用于测量单个量子比特。量子操作（量子门）通过激光脉冲执行，通过以特定频率引导激光来实现。

然而，无论是离子阱还是超导量子计算，仍然面临着尚未克服的重大挑战。

首先，即使有迈斯纳效应等方法减轻退相干，它仍然是量子计算机的一个巨大漏洞。因此，为了最小化噪声并最大化效率，量子计算机被放置在多层保护屏蔽中，置于真空环境中以减少空气分子相互作用，冷却到接近绝对零度（-273.15ºC）的毫开尔文温度，放置在无尘室中以防止灰尘和其他污染物的存在，使用稳定的无噪声电源，具有高精度的电子设备来控制量子比特操作，并具有纠错系统和专用算法以减少错误。

由于这些广泛的措施，维护量子计算机的成本非常高，每年从 50 万美元到数百万美元不等，具体取决于系统要求和规模。

说到规模，这是量子计算机目前面临的另一个挑战。仅仅通过增加更多的量子比特来扩展计算机并不容易，因为你可能会面临退相干问题，从而违背了初衷，同时大幅增加了冷却和电力需求。即使你成功增加了更多的量子比特，制造它们也不容易，因为存在巨大的校准和精度挑战，以及材料问题。

然而，如果这些挑战能够克服，原则上，300 个量子比特就足以执行比可见宇宙中的原子数量（大约 10 的 80 次方）更多的并行计算（大约 10 的 90 次方）。这无疑将是前所未有的计算能力。

Majorana 1 是如何工作的？

在理解了量子计算并将其与经典计算进行比较，以及支持这两种计算的硬件之后，是时候回答这个问题了：Majorana 1 有什么与众不同之处？

如前所述，Majorana 1 使用了一种称为“拓扑保护”的新技术。这要归功于“马约拉纳费米子”，这是意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳假设的一种粒子，它是一种费米子，同时也是它自己的反粒子（具有相同的质量但相反的电荷）。

但如果马约拉纳费米子仍然是“假设的”，那么微软在其处理器中使用了什么呢？这就是准粒子的世界。准粒子是一个术语，用于描述一组粒子的集体行为，将它们视为单个粒子。微软使用的粒子实际上是一种准粒子，具有与假设的马约拉纳费米子相似的性质。

这种粒子是通过使用由半导体材料制成的纳米线，涂上超导材料，然后在强磁场和接近绝对零度的温度下制造的。在这些条件下，纳米线中的电子开始以允许马约拉纳费米子出现在线末端的方式行为。

马约拉纳费米子的性质在量子计算中特别有用，与前面提到的噪声和量子退相干有关。因为它是它自己的反粒子，就像支撑平台的两根柱子，使它们本质上不易受到噪声和退相干的影响，非常适合量子计算。由马约拉纳费米子制成的拓扑量子比特也比其他公司制造的量子比特更容易扩展，可能支持微软未来扩展到一百万个量子比特的说法。此外，马约拉纳费米子允许非局域量子操作，其中信息存储在粒子的集体状态中，而不是单个粒子中，从而提高了抗错误性和计算效率。

预测

那么，Majorana 1 真的具有革命性吗？在某种程度上，是的，因为它证明了可能比之前想象的更高效的量子计算方法，并且这些方法可以奏效。然而，即使有了 Majorana 1 中展示的新技术，该领域仍然面临着尚未克服的重大障碍。

如果开发和维护成本能够降低，同时量子计算芯片变得更加高效，那么量子处理单元（QPU）可能会成为常见的技术。它们不一定会取代经典计算，但更有可能的是，它们将共存并相互加速，使用户能够比以往更高效地完成任务。

量子计算可能是找到癌症和其他威胁生命的疾病的治愈方法的关键，可能帮助我们在不久的将来实现人工通用智能，等等。

结论

然而，这些只是预测。量子计算和技术的真正未来是什么样子，只能由时间来回答。

但你不需要等待关注和分享这篇文章！感谢你的阅读，关于 Majorana 1 和量子计算的两部分系列也就到此结束了。

希望你在本系列中学到了一些新知识。记得下周回来，获取更多深入的新闻分析。