微软的量子芯片灵感来自有远见的物理学家

意大利物理学家Ettore Majorta的理论对量子计算(QC)的深远影响。在1937年，在量子力学引起的概念上的动荡之中，Majoraana假定存在神秘的颗粒的存在(现在称为Majorana fermions(MFS))，标题为“ Teoria Simmetrica dell'eletrone e del potitrone e del potitrone e del potitrone”(“对电子和potitron and Potitron和Potitron”)。这些所谓的准粒子在冷凝物质系统中出现，而不是作为基本颗粒存在，为开创性的Qubits铺平了道路。准粒子是一种集体现象，而不是单个的自由粒子。

在2025年，在Majorana在31岁时的神秘失踪之后的87年， Microsoft宣布其量子芯片(称为，适当，Majorana 1)，这是对这位辉煌但内向的理论家大胆的愿景的非凡致敬。

费米子，玻色子和Majorana方程

基本颗粒分组为费米和玻色子。费米子具有诸如电子，中子，质子和中微子之类的质量，但也具有夸克(夸克) - 质子和中子的成分。此外，费米子表现出半刻旋转的旋转，这意味着它们的内在角动量可以是1/2，–1/2、3/2等。他们遵守费米 - 迪拉克统计和Pauli排除原则，该原理没有两个费米子可以同时占据同一量子状态。

玻色子(带有整数自旋的无质量和巨大)是介导基本力的颗粒，例如电磁场的光子和强力的振动，它将质子和中子紧密地结合在细胞核内。希格斯玻色子(Higgs Boson)是遍布整个宇宙的希格斯场的激发，在给质量质量中起着至关重要的作用。

Majoraana通过提出替代Dirac优雅配方方程的替代方案来支持他的理论，这是第一个成功的框架统一特殊相对论和描述电子和其他费米子的量子力学。

但是，这样的物理学家在不知不觉中为现代科学中一些最令人兴奋的发展奠定了基础，从中微子物理学到追求拓扑量子计算机，例如Microsoft的Majorana 1芯片。

DIRAC方程由四个耦合组件组成，并采用了旋转器，这是一种特殊的波函数，描述了粒子的旋转状态及其位置和动量。

Majoraana提出了一个实用值的解决方案，而不是一个复杂的解决方案，将其降低到两个独立的方程对，每个方程都描述了一个没有净电荷的半旋转粒子。这表明粒子(如果存在)是其自身的反粒子。与狄拉克方程不同，dirac方程式将粒子与其反粒子交换，将其应用于Majorana方程，返回同一粒子。电荷共轭是量子场理论中的一个基本对称性操作，它通过反转其电荷和其他添加剂量子数将粒子转化为相应的反粒子，但质量和自旋除外。

尽管准颗粒不是真正的基本，但它们与理论MFS正式遵守相同的数学方程式。在高能物理学中，MF是指尚未发现的假设基本颗粒 - 中静脉是潜在的候选者。确认这一点的一种方法是检测稀有的无中微子双β衰减，从而将核转化为两个中子变成两个质子，从而排放两个电子，但没有中微子。通常，释放了两个抗神经药，但是如果中微子是自己的反颗粒，它们可能会互相取消，这意味着不会发出中微子。

在研究大量相互作用粒子的凝结物理学中，MF是指列叶片 - 表现为MFS的综合激发。但是，这些状态从根本上与高能对应物不同，并以特殊材料(例如拓扑超导体)出现。

Majorana 1量子芯片

微软揭开了Majoraana 1，这是一个开创性的量子加工单元，旨在在单个棕榈大小的芯片上扩展到一百万吨。利用MFS启用的拓扑量楼，它增强了误差校正并进步易于故障QC。 Microsoft声称，作为国防高级研究项目局(DARPA)的US2QC计划的一部分，在几年而不是数年之内构建可扩展的量子计算机的正轨。

Majorana 1以此为核心利用了一种新的物质状态，微软将其命名为Atopoconductor，类似于拓扑超导体。当冷却在0 K接近0 K并受到特定的磁场时，该材料结合了砷化胺和铝，形成拓扑超导纳米线。这些纳米线在其末端构成了Majora零模式(MZM) - 构成拓扑量子基础的Quasiparticles。

虽然超导性发生在整个拓扑超导体中，但其表面支持金属样的导电状态，其中准粒子在边缘或涡旋处出现，后者是拓扑缺陷。这是集体拓扑(或非本地)行为的直接结果，而不是个体基本颗粒的特性。

量子信息通过奇偶校验存储在MZM中，无论电线均具有均匀数量的电子。在传统的超导体中，电子结合到库珀对(负责超导性的结合电子对)，并且没有阻力漂移，未配对的电子需要额外的能量才能检测到。 Microsoft topocoductor的不同之处在于，在两个MZM之间共享一个未配对的电子，使其对环境看不见，并固有地受到了侵蚀性的保护。

Majorana零模式

MZM提供了 出色的稳定性和误差抗性，这对于可伸缩质量控制至关重要。 “零”的名称反映了其在费米水平上的零能量状态，即在0 K处的最高占用能量状态，标志着被占用和未占用的电子状态之间的边界，从而确保免疫对波动的免疫力。居住在超导间隙内，它们不受噪音和耗散的影响。在缺陷，边缘或涡旋处定位，它们避免与其他状态混合，从而最大程度地减少腐蚀性。

非亚伯统计

在量子力学中，统计数据描述了粒子在交换或编织时的行为方式(相互移动)。大多数基本颗粒遵守玻色症 - 亚伯式或费米尼 - 亚伯特统计。但是，在拓扑超导体中，准粒子遵循非亚伯统计，这意味着它们的量子状态的变化取决于交换顺序，而不仅仅是最终配置。

实际上，对于玻色子，掉期后的波函数保持不变。对于费米子，当两个粒子交换时，波函数会翻转，因此将它们交换两次将系统返回到其原始状态。

MZMS遵守非亚伯统计，这意味着交换两个相同的准粒子将系统转换为新的量子状态，而不是将其返回到原始状态。该属性通过编织实现量子操作 - 以受控方式对MZM进行交换。由于量子信息是在多个MZM上非局部编码的，因此它固有地对小误差具有抗性，使其非常适合容忍故障的QC。

如何处理和读取量子信息

微软已经实施了一种新型技术，可以读取两个毫克之间编码的量子信息。数字开关将纳米线的两端连接到量子点，这是一个小的半导体结构，能够存储小电荷。

这种耦合会影响量子点的充电能力，这取决于纳米线的奇偶校验。为了测量这一点，微波在量子点处被束缚，并且反射的信号揭示了与电子平价相对应的量子状态。如果电荷变化足够大，则测量误差概率仍然很低(〜1%)，而微软旨在在将来的迭代中进一步减少它。

该系统还可以抵抗外部噪声。如果电磁辐射破坏了库珀对，则可能会出现未配对的电子，可能会将Qubit状态从偶数变为奇数。但是，微软报告说，这一事件很少见，平均每毫秒一次。

此外，这种基于测量的方法显着改善了量子误差校正。整个错误校正过程是通过由数字脉冲触发的测量步骤执行的，该测量步骤通过数字脉冲触发，该步骤动态连接并断开量子点与纳米线。这种数字控制的方法对于管理大量Qubits是更有效的，这是现实世界中量子处理器的关键要求。

Majorana 1类筹码的前景

微软最近对Majorana 1 Chip的揭幕，伴随着Microsoft首席执行官Satya Nadella的著名评论，后者将新物质的发现描述为一种关键的开发，从而实现了更稳定的Qubits。

微软在很大程度上完成了基础研究，并迅速促进了工程实施，并在设计和编程方面进行了优化。

一些专家警告不要对此类进步过度乐观，因为通往可靠的质量控制之路仍然充满了挑战和技术障碍。然而，Majorana 1芯片可以通过其创新的量子处理能力来彻底改变多个领域。

其有希望的应用之一是对复杂过程的优化，包括供应链物流，制造和材料科学，尤其是在发现新药中，通过以前所未有的规模和速度模拟分子相互作用。

QC还可以增强AI算法，从而使机器学习和数据分析更快，更有效。来自基于拓扑的计算的另一个关键区域是加密图，在此过程中，增强的加密技术将使数据传输更加安全和有弹性。

此外，量子的进步可以显着改善气候建模，从而可以进行更准确的预测并提供对极端天气事件的早期警告。

微软表示，一百万倍的 机器可以实现开创性的壮举，例如为飞机和催化剂设计自我修复材料，以将塑料回收到有用的副产品中。它还可以赋予生物学家提取促进土壤生育能力，支持可持续粮食生产并解决全球饥饿的酶。