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三年級科學課就知道，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域的發(fā)展。當?shù)貢r間周三，微軟科學家表示，他們基于這種新的物理相構建出一種被稱為“拓撲量子比特”的新型量子比特，可用于解決數(shù)學、科學和技術難題。

量子計算技術領域預計將成為繼當下人工智能競爭之后的下一場重大技術競賽。這一進展使得微軟在量子計算技術競爭中占據(jù)更有利的地位。自20世紀80年代以來，科學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)計算機所用半導體和用于開發(fā)量子計算機的超導體的優(yōu)點結合到一起。

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、數(shù)學和科學問題。微軟表示，這種技術不像其他量子技術那樣不穩(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)這一技術突破。許多頂尖學者認為，完全實現(xiàn)量子計算機可能還需要數(shù)十年時間。但微軟科學家們表示，他們的技術方法將幫助他們更早實現(xiàn)這一目標。

領導這一技術研發(fā)團隊的微軟技術研究員切坦·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>

微軟相關技術細節(jié)周三發(fā)表在科學期刊《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和科學領域的進展，還可能強大到足以破解保護國家機密的加密技術。

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。中國已宣布將投資152億美元用于研發(fā)這一技術，歐盟也承諾投資72億美元。

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

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

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體制成的微小芯片，這些材料在特定情況下導電，但在其他情況下不導電。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，科學家可以構建出一個同時保持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構建這些機器。在美國，包括谷歌在內(nèi)的大多數(shù)公司采用超導體來構建量子比特，這種材料在導電時無能量損耗。他們通過將金屬冷卻到極低溫度來制造超導體。

微軟則押注了一條鮮有人嘗試的道路：將半導體與超導體結合。1997年，俄裔美國物理學家阿列克謝·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（半導體）和鋁（極低溫下是超導體）組成的設備。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。

哈佛大學物理學教授菲利普·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?！?/span>

然而，加州理工學院理論物理學教授杰森·阿利西亞（Jason Alicea）質(zhì)疑微軟是否真的構建了拓撲量子比特，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。“不過，你必須驗證設備是否真如理論所預測那樣表現(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。但微軟研究人員認為，這是向更強大技術邁出的重要一步。

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

去年，谷歌展示利用復雜的數(shù)學技術，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。

許多科學家表示，如果微軟能夠完善其拓撲量子比特，錯誤校正的復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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