微軟和谷歌通過新芯片推動量子計算向前發展

隨著微軟和谷歌公佈各自的最新突破，量子計算競賽愈演愈烈——各自採取獨特但突破性的方法來克服構建可擴展量子系統的挑戰。微軟的 Majorana 1 芯片使用特殊材料突破了穩定性和可擴展性的界限，而谷歌的 Willow 芯片則專注於原始計算能力和增強的糾錯能力。總之，這些進步不僅凸顯了對比策略，而且加速了實用量子計算的競賽。

微軟 Majorana 1 與 Google Willow

微軟的 Majorana 1：邁向百萬量子比特機器的拓撲飛躍

微軟的 Majorana 1 芯片於 2025 年 2 月推出，引入了一種改變遊戲規則的拓撲架構，可以重新定義量子計算的未來。與傳統的超導或俘獲離子量子位不同，Majorana 1 利用馬約拉納零模式——奇異的準粒子理論上是它們自己的反粒子。這些粒子長期以來一直受到物理學家的追捧，由於它們的非阿貝爾統計特性，它們在量子穩定性方面具有獨特的優勢，這使得它們不易受到退相干的影響，而退相干是量子系統的致命弱點。

Majorana 1 芯片的核心採用了一種新設計的材料，稱為“拓撲導體”，從而能夠創建和操縱這些難以捉摸的馬約拉納粒子。儘管該芯片目前僅支持 8 個功能量子位（與競爭對手相比數量不多），但其設計優先考慮穩定性而非數量。該架構本質上是可擴展的，有可能容納最多一百萬個量子比特在一個手掌大小的芯片上。這可能會讓微軟在量子霸權的漫長游戲中取得領先。

也許最引人注目的是該芯片承諾顯著降低量子錯誤率。眾所周知，量子系統非常脆弱，即使很小的環境干擾也會導致計算錯誤。通過使用對噪聲和熱波動不太敏感的拓撲量子位，微軟的目標是延長量子相干時間，這是實現實用量子機器的關鍵障礙。

Majorana 1 的潛在應用：

• 安全數據加密：開發近乎難以破解的密碼方法。
• 複雜的模擬：藥物發現和材料科學的分子相互作用建模。
• 財務建模：比任何經典系統更快地運行複雜的風險模擬。

微軟的大膽主張？實用的量子計算時間表可能從幾十年縮短到僅僅幾年。儘管科學界仍然保持謹慎樂觀的態度，但許多人認為馬約拉納 1 號代表了巨大的飛躍。

Google 的 Willow 芯片：用 105 個量子位突破計算界限

谷歌也不甘示弱，其於 2024 年 12 月推出的 Willow 芯片也成為了頭條新聞。在其早期 Sycamore 處理器的成功基礎上，Willow 進一步提升了性能。105 個超導量子位，重點關注量子糾錯（QEC）——可靠量子計算的基石。

Willow 最令人印象深刻的壯舉之一是它能夠執行複雜的計算五分鐘以內——一個估計需要世界上最快的經典超級計算機才能解決的問題10 七億年來解決。這種程度的量子優勢凸顯了自谷歌 2019 年宣布“量子霸權”以來量子計算所取得的進步。

然而，真正突出的是 Willow 在以下方面的進步：表面碼糾錯，即使底層物理量子位發生故障，邏輯量子位也能保持穩定。谷歌的工程師已將邏輯錯誤率降低至歷史低點，接近容錯量子計算所需的難以捉摸的閾值。

Willow 的主要創新：

• 動態量子位耦合：增強量子位到量子位的交互以實現更複雜的操作。
• 優化的低溫系統：通過將量子位保持在絕對零附近來提高穩定性。
• 增強量子體積：顯著提高芯片處理複雜算法的能力。

谷歌設想 Willow 為解決物流、製藥和人工智能領域的現實問題鋪平道路，在這些領域，傳統計算機經常因指數級的複雜性而陷入困境。

分歧路徑，統一目標：量子競賽愈演愈烈

雖然微軟和谷歌採用了截然不同的策略——拓撲量子位與超導量子位——但最終的結果仍然是一樣的：構建一個容錯、可擴展的量子計算機能夠在有意義的任務中超越經典機器。

微軟的方法雖然目前在量子位數量方面受到限制，但可能會徹底改變量子位穩定性和長期可擴展性。與此同時，谷歌的高量子比特數處理器繼續突破原始量子計算能力的界限。

行業分析師表示，量子計算的未來可能不在於單一方法，而在於多種架構的混合。隨著 IBM、英特爾等公司以及 Rigetti 和 IonQ 等初創公司也推進其獨特的量子戰略，未來幾年將出現激烈的競爭和快速的創新。

為什麼這很重要

量子計算不再局限於理論物理領域。這些最近的突破暗示在不久的將來，量子處理器將解決傳統超級計算機需要數千年才能解決的問題。從加速藥物發現來優化全球供應鏈和開裂複雜的加密，影響跨行業。

雖然我們距離完全實現量子計算的巨大潛力還需要數年時間，但微軟的 Majorana 1 和谷歌的 Willow 芯片所取得的進展使我們離量子未來更近了。

量子革命不再是“如果”的問題，而是“何時”的問題。

要點

• 微軟的 Majorana 1 引入了拓撲量子位，可以徹底改變量子糾錯
• 谷歌的 Willow 處理器提供卓越的量子比特數，但面臨傳統的擴展挑戰
• 不同量子架構之間的競爭推動量子計算技術快速進步

量子架構的比較分析

微軟的 Majorana 1 和谷歌的 Willow 代表了量子計算架構的不同方法，它們在量子位技術、糾錯方法和擴展潛力方面存在顯著差異。這些架構選擇直接影響其性能特徵和未來應用。

Microsoft Majorana 1：拓撲量子位的潛力

微軟的 8 量子位 Majorana 1 採用了基於拓撲超導體中的 Majorana 零模式的革命性拓撲架構。這種獨特的方法提供了針對量子退相干的固有保護。

該芯片的拓撲導體設計採用了由砷化銦製成的專用納米線，能夠產生穩定的馬約拉納準粒子。這些粒子是拓撲量子位的基礎。

DARPA 對 Microsoft 架構設計的評估強調了擴展到百萬量子位系統的潛力。內置的糾錯功能減少了維持量子位穩定性通常所需的開銷。

Google Willow：量子點技術的進步

谷歌的 Willow 芯片具有基於量子點技術的 106 個量子位。該架構可以精確控制半導體材料中捕獲的單個電子。

量子點設計通過數字電子器件提供出色的量子位連接和控制。這使得複雜的量子運算能夠減少干擾。

Willow 的架構融合了先進的糾錯協議和量子門操作。與早期的量子點實現相比，該系統展示了改進的相干時間。

性能指標和錯誤率

錯誤率比較：

• Majorana 1：<0.1% 錯誤率，具有拓撲保護
• Willow：主動糾錯時錯誤率約為 1%

關鍵性能因素：

• 量子位穩定性
• 門保真度
• 相干時間
• 可擴展性潛力

Majorana 1 的拓撲保護減少了對大量糾錯電路的需求。這種架構優勢允許在量子計算中更有效地使用物理量子位。

Google 的 Willow 通過複雜的控制系統和錯誤緩解技術實現了高性能。儘管錯誤率更高，但更大的量子比特數可以實現更複雜的量子算法。

常見問題解答

微軟的 Majorana 1 和谷歌的 Willow 代表了不同的量子計算方法，每種架構都為特定的計算任務和未來的可擴展性路徑提供了獨特的優勢。

微軟的 Majorana 1 和谷歌的 Willow 量子處理器之間的主要區別是什麼？

微軟的 Majorana 1 使用基於稱為拓撲導體的革命性材料的拓撲量子位。這種方法旨在創建更穩定的量子位，需要更少的糾錯。

谷歌的 Willow 依賴於超導量子位，這是量子計算領域更為成熟的技術。他們的設計重點是在保持一致性的同時增加量子比特數。

Microsoft Majorana 1 和 Google Willow 架構如何影響量子糾錯技術？

微軟的拓撲方法本質上減少了通過更穩定的量子位進行廣泛糾錯的需要。 Majorana 1 設計創造了自然保護的量子態。

了解更多：如何轉發語音郵件

谷歌的 Willow 實現了傳統的糾錯方法，需要多個物理量子位來創建一個邏輯量子位。這種方法需要更多資源，但建立在經過驗證的技術之上。

微軟和谷歌量子技術的選擇對計算速度和可擴展性有何影響？

微軟的 Majorana 1 目標是通過其拓撲設計擴展到 100 萬個量子位。該架構減少了糾錯的開銷，可能允許更快的實際計算。

谷歌的 Willow 優先考慮近期實用的量子優勢。他們的系統利用當前技術提供更直接的結果，同時致力於更大的量子比特數。

微軟和谷歌對量子技術的態度如何影響量子計算的未來路線圖？

微軟的長期研究項目跨越近二十年，重點關注突破性材料科學，以實現穩定的量子計算。

谷歌強調對現有量子技術的迭代改進。該策略允許定期升級和演示量子能力。

哪些實際應用可以受益於 Microsoft Majorana 1 或 Google Willow 量子處理器的獨特功能？

醫學研究和藥物發現受益於微軟穩定、長期量子計算的潛力。

材料科學模擬與穀歌當前處理複雜量子態的能力非常吻合。

工業優化問題可以在這兩個平台上運行，每個平台在計算時間和精度方面都有不同的優勢。

在開發人員可訪問性和生態系統支持方面，微軟和谷歌的量子計算產品相比如何？

微軟將量子開發工具集成到其現有的 Azure 雲平台中。這種集成為軟件工程師提供了熟悉的開發環境。

Google 提供 Cirq 和其他用於量子編程的開源工具。他們的生態系統強調社區貢獻和學術合作。

兩家公司都提供模擬工具，用於在實際硬件上運行之前測試量子算法。