微軟推出百萬量子運算晶片Majorana 1 淺談晶片設計的未來

編譯／高晟鈞

微軟於近日宣布推出首款量子運算晶片「Majorana 1」，僅手掌大小的硬體集成了8個拓樸量子位元（Topological qubit），未來有望一次容納百萬量子位元，節省超過數十億美元的研究經費。憑藉Majorana 1，微軟成功規劃出一條通往百萬量子位元晶片的可行路線，將量子時代的到來從數十年，一舉縮短成數年。

首次採用拓樸架構

Majorana 1是世界上第一個採用拓樸核心架構建構的量子晶片，利用原子逐層堆疊的砷化銦半導體與鋁超導材料製成。當冷卻到接近絕對零度並透過磁場調節時，該材料會形成末端具有被稱為「馬約拉納零模」（Majorana zero modes，後以MZM簡稱）的特殊量子位元，也是其名稱的由來。

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約莫5-10年前，物理學家便曾推論馬約拉納零模很可能是最適合作為量子位元的準粒子（被稱為馬約拉納費米子），並可能超越谷歌與IBM建構的量子位元儲存訊息的能力。這是因為一直以來，傳統量子位元非常敏感，即使是一點點的溫度波動、電磁雜訊干擾便會發生退相干，這種脆弱性便是量子點腦開發遇到的最大瓶頸。時至今日，微軟的成功不只證明了MZM有助於保護資料免受環境雜訊影響，其更聲稱MZM具有「硬體級的抗錯誤能力。」

創造不可能：物質的新狀態

物質跳脫固液氣三態的「拓樸態」概念聽起來非常抽象，卻是支撐Majorana 1的支柱。微軟的拓樸量子位元架構形狀像一個由鋁奈米線製成的小型「H」字母，它排列四個可控的馬約拉納粒子來形成一個量子位元。此外，由於量子位元不僅需要處在穩定狀態，科學家還必須對其進行測量才能得出有用的答案。因此，傳統上需要對每個量子位元進行模擬微調，但過程不只耗時、複雜，且隨著量級增長而變得難以實現。

對此，微軟實現一種「數位開關」，本質上是同時將量子點連接到多個量子位元，並使用簡單的數位脈衝來連接或斷開它們。微軟計畫在此微波的校驗技術基礎上，在未來建立一個容錯原型（FTP）。

量子的轉折點

從許多方面來看，量子計算的困境都與半導體革命的早期階段如出一轍。工程師知道實用的電晶體將改變世界，但他們首先必須解決大量材料科學和電路設計的複雜問題。微軟的方法已得到了美國國防高級研究計劃局的支持，Majorana 1 晶片本身設計也能容納百萬量子位元。這表明我們距離百萬量子位元的時代比想像中更近，而這將加速科學家破解最困難的化學、製藥、氣候、醫學與生物學難題。Majorana 1的問世不僅僅是微軟的一個轉折點，更可能代表我們設計一切事物（從先進材料和藥品到複雜的環境解決方案）的典範轉移。

資料來源: Interesting Engineering、Interesting Engineering

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