微軟Azure Quantum計畫取得重大進展,該公司展示了拓撲量子位元(Topological Qubits)建置模組,這項技術是目前最有望,能建構出真正具有量子優勢的量子電腦。Azure Quantum團隊所設計的精密設備,能夠由一對馬約拉納零模(Majorana Zero Mode,或稱馬約拉納束縛態)引發物質的拓撲相位,進而產生不怕環境雜訊的拓撲量子位元。

這項進展之所以令人驚艷,是因為量子激發通常不存在於自然界中,必須在極其精確的條件下,才能被引發出現。從1973年馬約拉納提出馬約拉納費米子(Majorana Fermion)假想以來,科學家一直試圖創造或是觀察該粒子激發現象,而直到最近,科學家意識到,馬約拉納零模可以用於保護量子訊息,在實現可靠運算方面能發揮重要作用。

Azure Quantum團隊現在能夠產生拓撲相位,並量測拓撲間隙,進而量化相位的穩定性。研究團隊解釋,擁有以馬約拉納零模以及可測量拓撲間隙,來創造和維持量子相位的能力,消除了產生拓撲量子位元的最大障礙。微軟量子機器便是使用拓撲量子位元來儲存和計算資訊。

全世界的科學家,無不致力於開發可用於解決複雜能力的量子電腦,但事實上,要真正能夠解決現實中複雜問題的量子電腦,需要擁有一百萬或是更多數量的量子比特,目前為止,基於量子邏輯閘的量子電腦,使用的量子位元都不到130個,微軟研究人員提到,當今許多量子位元技術都存在限制,難以達到足以支援商業量子應用的規模。

而這也是Azure Quantum專注於開發拓撲量子位元的原因,與當前其他類型的量子位元相比,拓撲量子位元更有希望,開發出速度更快、體積更小且不容易丟失訊息的量子電腦,微軟認為,創建更穩定的拓撲量子位元,將是建構工業規模量子機器最快的途徑。

但是過去研究拓撲量子位元的科學家,都無法確定是否能運用量子物理,來創造拓撲量子位元,直到現在,微軟的科學家達成了這項困難的目標,並且製造出能夠產生拓撲相位的設備(下圖),而在證明拓撲量子位元確實可行之後,微軟便能傾全力推進該領域的研究。

微軟提到,開發量子電腦的一大挑戰,是當量子位元遇到熱、偏離的次原子粒子或是磁場等環境雜訊時,就很容易崩潰或是量子去相干(Quantum Decoherence)。當資訊丟失,量子位元不再能夠用於計算,錯誤便會開始產生,量子電腦此時需要投入更多不可靠的量子位元來糾正錯誤,研究人員舉例,這種情況就像是在房間中,讓盤子在筷子上旋轉,一個小干擾就可能導致一個盤子變得不穩定,並開始撞到其他盤子。

拓撲量子位元內建保護機制,使其不會受到環境雜訊影響,這代表執行有用運算和糾正錯誤所需要的量子位元應該少得多,而且拓撲量子位元還能夠快速處理資訊,體積也夠小,在一個比信用卡上安全晶片更小的設備,可以容納超過百萬個拓撲量子。

創建拓撲保護的關鍵,在於將量子資訊編碼成一對實體分離的馬約拉納零模,這使得拓撲量子位元能夠對環境雜訊免疫,雜訊並不能與訊息相互作用或是破壞,要解鎖量子資訊的唯一方法,是同時查看兩種馬約拉納零模的組合狀態。

Azure Quantum團隊開發出一種工藝方法,能夠以高可控和原子等級的精確度,將半導體和超導體材料分層列印到設備上,在特定磁場和電壓條件下,該設備可以產生具有一對馬約拉納零模的拓撲相位。

目前這項技術已經走出實驗室理論,並通過反覆試驗,進入以模擬、設計和工程材料的實踐階段,但微軟量子軟體計畫領導工程師Krysta Svore(下圖)提到,在創建可擴展的量子電腦路上,還有更具挑戰性的工作要完成。接下來研究團隊的工作,還包括讓拓撲間隙更強健穩定,並且能夠糾纏馬約拉納建構模組來產生量子位元,而且使用量子位元處理有意義的訊息,需要在比外太空更冷的溫度下進行。

量子電腦理論上,可以利用量子物理特性,包括疊加、糾纏和干涉,以極短的時間,解決具有大量變數的問題,找出可能的解決方案。微軟將使用拓撲量子位元技術,開發能夠與Azure古典運算資源協同工作的量子電腦,該公司提到,先開發出商用量子加速器的公司,將擁有強大的競爭優勢。

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