微软（Microsoft）的科学家们取得重大突破，发明了一种量子处理器。该处理器利用了一种早在20世纪30年代就首次被理论化的罕见物质状态，为在几年内制造出拥有100万个量子比特的处理器奠定基础。

科学家们运用特殊材料制造出新型量子计算芯片，这种材料能进入新的物质状态。这一成果或许会让研究人员比预期更快地制造出具备数百万可靠量子位的单个芯片，可能仅需几年而非几十年。

新的量子处理单元（QPU）名为“马约拉纳1号（Majorana 1）” ，是一个8量子位的原型芯片，由世界上第一种此类材料——拓扑导体（topoconductor）打造而成。它能达到物质的“拓扑”状态，并在合适条件下借助量子力学定律处理1和0的计算数据。

这种被称作“拓扑量子比特（topological qubit）”的新型量子比特，相较于超导金属制成的量子比特，具备更稳定、更小、耗电少以及可扩展性强等优势。超导金属是谷歌、IBM和微软等公司制造的量子计算机中常用的量子比特类型。

微软技术研究员、加州大学圣巴巴拉分校物理学教授切坦·纳亚克表示，团队思考为量子时代发明晶体管，以及其所需具备的属性，最终通过新材料堆栈中的特殊组合等实现新型量子比特与架构。

该QPU的制造得益于研究人员首次使用特定结构观察和控制神秘亚原子粒子“马约拉纳费米子”或“马约拉纳零模式”（MZM），这种粒子由数学家埃托雷·马约拉纳于1937年理论化。

此前科学家就试图制造马约拉纳费米子用于新型量子计算，对其探索历经多年，包括2012年和2024年4月对该粒子的发现，2023年6月还发表了发现物质拓扑状态的研究。

马约拉纳理论指出粒子可以是自身反粒子，两个此类粒子结合可能相互湮灭或稳定共存，为存储量子信息创造条件。但这些亚原子粒子自然界不存在，微软科学家需在材料科学等多方面突破。

其中关键是创造拓扑导体作为量子比特基础，科学家将砷化铟半导体与铝超导体结合构建拓扑导体。同时需正确组合成分并创造接近绝对零度温度和磁场条件，促使MZM出现。

为构建更小量子位，科学家将纳米线排列成H形，通过冷却和磁场调节诱导出MZMs，再连接半导体量子点测量信号。拓扑导体与超导体处理未配对电子方式不同，拓扑导体可 “隐藏” 未配对电子，使量子比特硬件层面更稳定，但测量量子态难度增加。

量子点在此发挥作用，科学家发射电子通过MZM，利用微波轰击让返回反射携带量子态印记。研究表明测量准确度约99%，电磁辐射是误差触发因素之一，但因处理器固有屏蔽，此类情况少见。

微软首席研究经理克里斯塔·斯沃称，虽实现过程复杂，但之后架构简单且扩展路径快。这种名为“拓扑核心”的新量子比特架构，是迈向100万量子比特量子计算机的第一步，类似20世纪从真空管到晶体管的计算机转变。

科学家计划未来几年制造百万物理量子比特芯片，有望在医学、材料科学等领域带来突破。不过量子芯片需在生态系统中工作，优化相关系统还需数年研究，随突破或可加快进程。

克里斯塔·斯沃还提到材料排列需完美，否则影响量子位，而这正是需要量子计算机的原因，规模化量子计算机可预测更好性能材料用于下一代产品。

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