20年磨一剑！微软发布全球首个拓扑量子芯片，一夜改变半导体

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文章摘要

微软发布了全球首款基于拓扑架构的量子芯片Majorana 1，标志着量子计算领域取得突破性进展。该芯片采用拓扑超导体材料，通过结合铟砷化物与铝，在接近绝对零度的环境下形成具有Majorana零能模（MZMs）的纳米线结构。这种新型物质形态的发现，打破了传统固态、液态和气态的物质分类框架，为量子计算提供了全新的物理基础。

Majorana 1的核心优势体现在其拓扑量子比特的设计上。与传统量子比特相比，其量子信息通过电子数量的奇偶性编码，并由MZMs共享未配对电子，使量子态对外界干扰具有“隐形”特性，显著提升了稳定性和抗噪声能力。微软开发的数字化测量技术通过量子点电荷变化检测量子态，将初始测量误差概率降至1%，并具备进一步优化的明确路径。这种创新控制方式还简化了量子纠错流程，为大规模量子比特集成奠定基础。

在规模化路径上，微软提出从单量子比特设备“tetron”到多量子比特阵列的演进路线。目前已实现四子设备的奇偶性测量与叠加态控制，计划通过4×2阵列验证量子纠缠，最终构建27×13阵列实现完整纠错功能。芯片仅手掌大小即可集成百万量子比特的特性，使得解决传统计算机无法应对的复杂问题成为可能。

应用层面，该技术有望推动材料科学、环境保护和生物工程等领域的变革。例如开发自愈材料解决工程结构损伤，设计催化剂分解微塑料污染物，或通过酶优化提升农业产量。微软技术研究员Chetan Nayak指出，该架构相当于“量子时代的晶体管”，其与人工智能的结合将允许用户通过自然语言描述直接生成新材料或分子设计方案，大幅缩短研发周期。

微软正通过Azure Quantum平台整合量子计算与AI、高性能计算资源，并与Quantinuum等企业合作推进技术落地。美国国防高级研究计划局已将其纳入大规模量子计算计划，公司计划在未来数年内推出容错量子计算机原型。这一进展将量子计算的商业化时间表从数十年缩短至几年，为全球产业升级提供关键基础设施支撑。