微软搞出全新新物态！量子计算机要起飞了？

2月20日消息，任何人只要上过小学三年级科学课就知道，物质有三种主要物态：固态、液态和气态。如今微软宣布在研发量子计算机的过程中创造出一种新的物态。

与此同时，微软推出了其首款量子计算芯片"Majorana 1"。该芯片在仅便签纸大小的硬件上集成了8个量子比特，公司预计其最终可扩展至容纳百万量级的量子比特。此外，微软还发布了生成式人工智能工具Muse，该工具通过整合Xbox玩家数据及游戏手柄操作信息，能够自动生成视频游戏场景。

量子计算机有望加速从电池制造、药物研发，再到人工智能等各个领域的发展。当地时间周三，微软科学家表示，他们基于这种新的物理相构建出一种被称为“拓扑量子比特”的新型量子比特，可用于解决数学、科学和技术难题。

量子计算技术领域预计将成为继当下人工智能竞争之后的下一场重大技术竞赛。这一进展使得微软在量子计算技术竞争中占据更有利的地位。自20世纪80年代以来，科学家们就一直在追寻量子计算机的梦想——一种能够利用亚原子粒子或极低温物体奇异且强大行为的机器。

去年12月，量子计算领域热潮再起，当时谷歌公布了一台实验性量子计算机，仅用时5分钟就完成大多数超级计算机需要10的24次方年才能完成的计算，这个时间比已知宇宙的年龄还要长。

微软的量子技术可能会超越谷歌正在开发的方法。作为研究的一部分，微软在一种新型计算芯片内构建了多个拓扑量子比特，这种芯片将传统计算机所用半导体和用于开发量子计算机的超导体的优点结合到一起。

当这种芯片被冷却到极低温度时，会表现出一些非同寻常且强大的特性。微软认为，这将使其能够解决经典计算机永远无法解决的技术、数学和科学问题。微软表示，这种技术不像其他量子技术那样不稳定，从而更容易发挥作用。

一些人质疑微软是否已经实现这一技术突破。许多顶尖学者认为，完全实现量子计算机可能还需要数十年时间。但微软科学家们表示，他们的技术方法将帮助他们更早实现这一目标。

领导这一技术研发团队的微软技术研究员切坦·纳雅克（Chetan Nayak）在接受采访时表示，“我们认为这只需要几年时间，而不是几十年。”

微软相关技术细节周三发表在科学期刊《自然》上，为这场可能重塑科技格局的竞赛增添了新动力。量子计算机不仅能够加速许多技术和科学领域的进展，还可能强大到足以破解保护国家机密的加密技术。

美国在通过微软等大公司以及各类初创企业探索量子计算技术。中国已宣布将投资152亿美元用于研发这一技术，欧盟也承诺投资72亿美元。

量子计算基于数十年来对量子力学的研究，目前仍然是一项实验性技术。然而，随着微软、谷歌等公司最近接连取得进展，科学家们相信这一技术最终能够兑现其承诺。

麻省理工学院的理论物理学家弗兰克·威尔切克（Frank Wilczek）说，“量子计算对物理学以及整个世界来说都是一个激动人心的前景。”

要理解量子计算先要了解传统计算机的工作原理。智能手机、笔记本电脑或台式电脑都依赖于由半导体制成的微小芯片，这些材料在特定情况下导电，但在其他情况下不导电。芯片存储和处理数字，进行加法、乘法等操作。它们通过操控“比特”信息来执行计算。每个比特要么表示1，要么表示0。

量子计算机的运作方式则不同。量子比特依赖于特原子粒子或极低温物质等材料的奇异行为。当一个物体极小特数冷时，可以同时表现得像两个独立物体。通过利用这种行为，科学家可以构建出一个同时保持1和0状态的量子比特。这意味着两个量子比特数id="re46113" style="background-color: #ffff04">特可以同时保存四个值。随着量子比特数量的增加，量子计算机的计算能力呈指数级增长。

各公司使用多种技术构建这些机器。在美国，包括谷歌在内的大多数公司采用超导体来构建量子比特，这种材料在导电时无能量损耗。他们通过将金属冷却到极低温度来制造超导体。

微软则押注了一条鲜有人尝试的道路：将半导体与超导体结合。1997年，俄裔美国物理学家阿列克谢·基塔耶夫（Alexei Kitaev）率先提出这个基本原理以及“拓扑量子比特”的名称。自2000年代初，微软开始研究这个非常规项目，当时许多研究人员认为这种技术不可能实现。这也是微软持续时间最长的研究项目。

微软首席执行官萨蒂亚·纳德拉（Satya Nadella）在接受采访时曾表示，“这是我们公司三位CEO都押注的事情，”（微软前两首席执行官分别是创始人比尔·盖茨和2000年代初执掌公司的史蒂夫·鲍尔默。）

如今，微软已成功制造出一种由砷化铟（半导体）和铝（极低温下是超导体）组成的设备。当温度降至零下240摄氏度左右时，会表现出一种超乎寻常的行为，可能为量子计算机的实现打下基础。

哈佛大学物理学教授菲利普·金（Philip Kim）表示，微软的新成果意义重大，因为拓扑量子比特可以加速量子计算机的研发。他说，“如果一切顺利，微软的研究可能会带来革命性突破。”

然而，加州理工学院理论物理学教授杰森·阿利西亚（Jason Alicea）质疑微软是否真的构建了拓扑量子比特，他认为量子系统的行为常常难以证明。

“拓扑量子比特理论上是可能的，大家都认可这是一个值得追求的目标，”阿利西亚说。“不过，你必须验证设备是否真如理论所预测那样表现出所有神奇行为；否则，量子计算的现实可能并没有那么乐观。所幸微软现在已经准备好进行验证了。”

微软表示，目前仅构建了8个拓扑量子比特，还无法执行能够改变计算本质的计算任务。但微软研究人员认为，这是向更强大技术迈出的重要一步。

尽管科学家们正在开发减少错误的方法，但目前量子计算技术仍然存在太多错误，无法真正实用化。

去年，谷歌展示利用复杂的数学技术，随着量子比特数量的增加，可以指数级减少错误数量。

许多科学家表示，如果微软能够完善其拓扑量子比特，错误校正的复杂度和成本将显著降低，效率更高。

尽管量子比特能够同时保存多个值，但存在一个固有问题。当研究人员尝试读取量子比特中存储的信息时，它会“退相干”并坍缩为传统比特，只能保存一个值：1或0。

这意味着，如果有人试图读取量子比特，它就会失去基本能力。因此，科学家们需要解决一个根本性问题：如果计算机每次使用时都会崩溃，那么该如何构建它？

谷歌错误校正的方法正是为了解决这个问题。微软认为，由于拓扑量子比特的行为不同，理论上在读取其存储的信息时不太可能坍缩，因此可以更快解决这一问题。

“这使得它成为一个理想的量子比特，”纳雅克说。（辰辰）

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