微軟搞出全新新物態(tài)！量子計算機要起飛了？

發(fā)布日期： 2025-02-24 閱讀量： 作者： 小編

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2月20日消息，任何人只要上過小學(xué)三年級科學(xué)課就知道，物質(zhì)有三種主要物態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。如今微軟宣布在研發(fā)量子計算機的過程中創(chuàng)造出一種新的物態(tài)。

與此同時，微軟推出了其首款量子計算芯片"Majorana 1"。該芯片在僅便簽紙大小的硬件上集成了8個量子比特，公司預(yù)計其最終可擴展至容納百萬量級的量子比特。此外，微軟還發(fā)布了生成式人工智能工具Muse，該工具通過整合Xbox玩家數(shù)據(jù)及游戲手柄操作信息，能夠自動生成視頻游戲場景。

量子計算機有望加速從電池制造、藥物研發(fā)，再到人工智能等各個領(lǐng)域的發(fā)展。當?shù)貢r間周三，微軟科學(xué)家表示，他們基于這種新的物理相構(gòu)建出一種被稱為“拓撲量子比特”的新型量子比特，可用于解決數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)難題。

量子計算技術(shù)領(lǐng)域預(yù)計將成為繼當下人工智能競爭之后的下一場重大技術(shù)競賽。這一進展使得微軟在量子計算技術(shù)競爭中占據(jù)更有利的地位。自20世紀80年代以來，科學(xué)家們就一直在追尋量子計算機的夢想——一種能夠利用亞原子粒子或極低溫物體奇異且強大行為的機器。

去年12月，量子計算領(lǐng)域熱潮再起，當時谷歌公布了一臺實驗性量子計算機，僅用時5分鐘就完成大多數(shù)超級計算機需要10的24次方年才能完成的計算，這個時間比已知宇宙的年齡還要長。

微軟的量子技術(shù)可能會超越谷歌正在開發(fā)的方法。作為研究的一部分，微軟在一種新型計算芯片內(nèi)構(gòu)建了多個拓撲量子比特，這種芯片將傳統(tǒng)計算機所用半導(dǎo)體和用于開發(fā)量子計算機的超導(dǎo)體的優(yōu)點結(jié)合到一起。

當這種芯片被冷卻到極低溫度時，會表現(xiàn)出一些非同尋常且強大的特性。微軟認為，這將使其能夠解決經(jīng)典計算機永遠無法解決的技術(shù)、數(shù)學(xué)和科學(xué)問題。微軟表示，這種技術(shù)不像其他量子技術(shù)那樣不穩(wěn)定，從而更容易發(fā)揮作用。

一些人質(zhì)疑微軟是否已經(jīng)實現(xiàn)這一技術(shù)突破。許多頂尖學(xué)者認為，完全實現(xiàn)量子計算機可能還需要數(shù)十年時間。但微軟科學(xué)家們表示，他們的技術(shù)方法將幫助他們更早實現(xiàn)這一目標。

領(lǐng)導(dǎo)這一技術(shù)研發(fā)團隊的微軟技術(shù)研究員切坦·納雅克（Chetan Nayak）在接受采訪時表示，“我們認為這只需要幾年時間，而不是幾十年?！?/span>

微軟相關(guān)技術(shù)細節(jié)周三發(fā)表在科學(xué)期刊《自然》上，為這場可能重塑科技格局的競賽增添了新動力。量子計算機不僅能夠加速許多技術(shù)和科學(xué)領(lǐng)域的進展，還可能強大到足以破解保護國家機密的加密技術(shù)。

美國在通過微軟等大公司以及各類初創(chuàng)企業(yè)探索量子計算技術(shù)。中國已宣布將投資152億美元用于研發(fā)這一技術(shù)，歐盟也承諾投資72億美元。

量子計算基于數(shù)十年來對量子力學(xué)的研究，目前仍然是一項實驗性技術(shù)。然而，隨著微軟、谷歌等公司最近接連取得進展，科學(xué)家們相信這一技術(shù)最終能夠兌現(xiàn)其承諾。

麻省理工學(xué)院的理論物理學(xué)家弗蘭克·威爾切克（Frank Wilczek）說，“量子計算對物理學(xué)以及整個世界來說都是一個激動人心的前景。”

要理解量子計算先要了解傳統(tǒng)計算機的工作原理。智能手機、筆記本電腦或臺式電腦都依賴于由半導(dǎo)體制成的微小芯片，這些材料在特定情況下導(dǎo)電，但在其他情況下不導(dǎo)電。芯片存儲和處理數(shù)字，進行加法、乘法等操作。它們通過操控“比特”信息來執(zhí)行計算。每個比特要么表示1，要么表示0。

量子計算機的運作方式則不同。量子比特依賴于特原子粒子或極低溫物質(zhì)等材料的奇異行為。當一個物體極小特數(shù)冷時，可以同時表現(xiàn)得像兩個獨立物體。通過利用這種行為，科學(xué)家可以構(gòu)建出一個同時保持1和0狀態(tài)的量子比特。這意味著兩個量子比特數(shù)可以同時保存四個值。隨著量子比特數(shù)量的增加，量子計算機的計算能力呈指數(shù)級增長。

各公司使用多種技術(shù)構(gòu)建這些機器。在美國，包括谷歌在內(nèi)的大多數(shù)公司采用超導(dǎo)體來構(gòu)建量子比特，這種材料在導(dǎo)電時無能量損耗。他們通過將金屬冷卻到極低溫度來制造超導(dǎo)體。

微軟則押注了一條鮮有人嘗試的道路：將半導(dǎo)體與超導(dǎo)體結(jié)合。1997年，俄裔美國物理學(xué)家阿列克謝·基塔耶夫（Alexei Kitaev）率先提出這個基本原理以及“拓撲量子比特”的名稱。自2000年代初，微軟開始研究這個非常規(guī)項目，當時許多研究人員認為這種技術(shù)不可能實現(xiàn)。這也是微軟持續(xù)時間最長的研究項目。

微軟首席執(zhí)行官薩蒂亞·納德拉（Satya Nadella）在接受采訪時曾表示，“這是我們公司三位CEO都押注的事情，”（微軟前兩首席執(zhí)行官分別是創(chuàng)始人比爾·蓋茨和2000年代初執(zhí)掌公司的史蒂夫·鮑爾默。）

如今，微軟已成功制造出一種由砷化銦（半導(dǎo)體）和鋁（極低溫下是超導(dǎo)體）組成的設(shè)備。當溫度降至零下240攝氏度左右時，會表現(xiàn)出一種超乎尋常的行為，可能為量子計算機的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

哈佛大學(xué)物理學(xué)教授菲利普·金（Philip Kim）表示，微軟的新成果意義重大，因為拓撲量子比特可以加速量子計算機的研發(fā)。他說，“如果一切順利，微軟的研究可能會帶來革命性突破。”

然而，加州理工學(xué)院理論物理學(xué)教授杰森·阿利西亞（Jason Alicea）質(zhì)疑微軟是否真的構(gòu)建了拓撲量子比特，他認為量子系統(tǒng)的行為常常難以證明。

“拓撲量子比特理論上是可能的，大家都認可這是一個值得追求的目標，”阿利西亞說?！安贿^，你必須驗證設(shè)備是否真如理論所預(yù)測那樣表現(xiàn)出所有神奇行為；否則，量子計算的現(xiàn)實可能并沒有那么樂觀。所幸微軟現(xiàn)在已經(jīng)準備好進行驗證了?！?/span>

微軟表示，目前僅構(gòu)建了8個拓撲量子比特，還無法執(zhí)行能夠改變計算本質(zhì)的計算任務(wù)。但微軟研究人員認為，這是向更強大技術(shù)邁出的重要一步。

盡管科學(xué)家們正在開發(fā)減少錯誤的方法，但目前量子計算技術(shù)仍然存在太多錯誤，無法真正實用化。

去年，谷歌展示利用復(fù)雜的數(shù)學(xué)技術(shù)，隨著量子比特數(shù)量的增加，可以指數(shù)級減少錯誤數(shù)量。

許多科學(xué)家表示，如果微軟能夠完善其拓撲量子比特，錯誤校正的復(fù)雜度和成本將顯著降低，效率更高。

盡管量子比特能夠同時保存多個值，但存在一個固有問題。當研究人員嘗試讀取量子比特中存儲的信息時，它會“退相干”并坍縮為傳統(tǒng)比特，只能保存一個值：1或0。

這意味著，如果有人試圖讀取量子比特，它就會失去基本能力。因此，科學(xué)家們需要解決一個根本性問題：如果計算機每次使用時都會崩潰，那么該如何構(gòu)建它？

谷歌錯誤校正的方法正是為了解決這個問題。微軟認為，由于拓撲量子比特的行為不同，理論上在讀取其存儲的信息時不太可能坍縮，因此可以更快解決這一問題。

“這使得它成為一個理想的量子比特，”納雅克說。

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