意大利物理學家Ettore Majorta的理論對量子計算(QC)的深遠影響。在1937年，在量子力學引起的概念上的動蕩之中，Majoraana假定存在神秘的顆粒的存在(現(xiàn)在稱為Majorana fermions(MFS))，標題為“ Teoria Simmetrica dell'eletrone e del potitrone e del potitrone e del potitrone”(“對電子和potitron and Potitron和Potitron”)。這些所謂的準粒子在冷凝物質(zhì)系統(tǒng)中出現(xiàn)，而不是作為基本顆粒存在，為開創(chuàng)性的Qubits鋪平了道路。準粒子是一種集體現(xiàn)象，而不是單個的自由粒子。

在2025年，在Majorana在31歲時的神秘失蹤之后的87年， Microsoft宣布其量子芯片(稱為，適當，Majorana 1)，這是對這位輝煌但內(nèi)向的理論家大膽的愿景的非凡致敬。

費米子，玻色子和Majorana方程

基本顆粒分組為費米和玻色子。費米子具有諸如電子，中子，質(zhì)子和中微子之類的質(zhì)量，但也具有夸克(夸克) - 質(zhì)子和中子的成分。此外，費米子表現(xiàn)出半刻旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)，這意味著它們的內(nèi)在角動量可以是1/2，–1/2、3/2等。他們遵守費米 - 迪拉克統(tǒng)計和Pauli排除原則，該原理沒有兩個費米子可以同時占據(jù)同一量子狀態(tài)。

玻色子(帶有整數(shù)自旋的無質(zhì)量和巨大)是介導基本力的顆粒，例如電磁場的光子和強力的振動，它將質(zhì)子和中子緊密地結(jié)合在細胞核內(nèi)。希格斯玻色子(Higgs Boson)是遍布整個宇宙的希格斯場的激發(fā)，在給質(zhì)量質(zhì)量中起著至關(guān)重要的作用。

Majoraana通過提出替代Dirac優(yōu)雅配方方程的替代方案來支持他的理論，這是第一個成功的框架統(tǒng)一特殊相對論和描述電子和其他費米子的量子力學。

但是，這樣的物理學家在不知不覺中為現(xiàn)代科學中一些最令人興奮的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，從中微子物理學到追求拓撲量子計算機，例如Microsoft的Majorana 1芯片。

DIRAC方程由四個耦合組件組成，并采用了旋轉(zhuǎn)器，這是一種特殊的波函數(shù)，描述了粒子的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)及其位置和動量。

Majoraana提出了一個實用值的解決方案，而不是一個復雜的解決方案，將其降低到兩個獨立的方程對，每個方程都描述了一個沒有凈電荷的半旋轉(zhuǎn)粒子。這表明粒子(如果存在)是其自身的反粒子。與狄拉克方程不同，dirac方程式將粒子與其反粒子交換，將其應(yīng)用于Majorana方程，返回同一粒子。電荷共軛是量子場理論中的一個基本對稱性操作，它通過反轉(zhuǎn)其電荷和其他添加劑量子數(shù)將粒子轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的反粒子，但質(zhì)量和自旋除外。

盡管準顆粒不是真正的基本，但它們與理論MFS正式遵守相同的數(shù)學方程式。在高能物理學中，MF是指尚未發(fā)現(xiàn)的假設(shè)基本顆粒 - 中靜脈是潛在的候選者。確認這一點的一種方法是檢測稀有的無中微子雙β衰減，從而將核轉(zhuǎn)化為兩個中子變成兩個質(zhì)子，從而排放兩個電子，但沒有中微子。通常，釋放了兩個抗神經(jīng)藥，但是如果中微子是自己的反顆粒，它們可能會互相取消，這意味著不會發(fā)出中微子。

在研究大量相互作用粒子的凝結(jié)物理學中，MF是指列葉片 - 表現(xiàn)為MFS的綜合激發(fā)。但是，這些狀態(tài)從根本上與高能對應(yīng)物不同，并以特殊材料(例如拓撲超導體)出現(xiàn)。

Majorana 1量子芯片

微軟揭開了Majoraana 1，這是一個開創(chuàng)性的量子加工單元，旨在在單個棕櫚大小的芯片上擴展到一百萬噸。利用MFS啟用的拓撲量樓，它增強了誤差校正并進步易于故障QC。 Microsoft聲稱，作為國防高級研究項目局(DARPA)的US2QC計劃的一部分，在幾年而不是數(shù)年之內(nèi)構(gòu)建可擴展的量子計算機的正軌。

Majorana 1以此為核心利用了一種新的物質(zhì)狀態(tài)，微軟將其命名為Atopoconductor，類似于拓撲超導體。當冷卻在0 K接近0 K并受到特定的磁場時，該材料結(jié)合了砷化胺和鋁，形成拓撲超導納米線。這些納米線在其末端構(gòu)成了Majora零模式(MZM) - 構(gòu)成拓撲量子基礎(chǔ)的Quasiparticles。

雖然超導性發(fā)生在整個拓撲超導體中，但其表面支持金屬樣的導電狀態(tài)，其中準粒子在邊緣或渦旋處出現(xiàn)，后者是拓撲缺陷。這是集體拓撲(或非本地)行為的直接結(jié)果，而不是個體基本顆粒的特性。

量子信息通過奇偶校驗存儲在MZM中，無論電線均具有均勻數(shù)量的電子。在傳統(tǒng)的超導體中，電子結(jié)合到庫珀對(負責超導性的結(jié)合電子對)，并且沒有阻力漂移，未配對的電子需要額外的能量才能檢測到。 Microsoft topocoductor的不同之處在于，在兩個MZM之間共享一個未配對的電子，使其對環(huán)境看不見，并固有地受到了侵蝕性的保護。

Majorana零模式

MZM提供了 出色的穩(wěn)定性和誤差抗性，這對于可伸縮質(zhì)量控制至關(guān)重要。 “零”的名稱反映了其在費米水平上的零能量狀態(tài)，即在0 K處的最高占用能量狀態(tài)，標志著被占用和未占用的電子狀態(tài)之間的邊界，從而確保免疫對波動的免疫力。居住在超導間隙內(nèi)，它們不受噪音和耗散的影響。在缺陷，邊緣或渦旋處定位，它們避免與其他狀態(tài)混合，從而最大程度地減少腐蝕性。

非亞伯統(tǒng)計

在量子力學中，統(tǒng)計數(shù)據(jù)描述了粒子在交換或編織時的行為方式(相互移動)。大多數(shù)基本顆粒遵守玻色癥 - 亞伯式或費米尼 - 亞伯特統(tǒng)計。但是，在拓撲超導體中，準粒子遵循非亞伯統(tǒng)計，這意味著它們的量子狀態(tài)的變化取決于交換順序，而不僅僅是最終配置。

實際上，對于玻色子，掉期后的波函數(shù)保持不變。對于費米子，當兩個粒子交換時，波函數(shù)會翻轉(zhuǎn)，因此將它們交換兩次將系統(tǒng)返回到其原始狀態(tài)。

MZMS遵守非亞伯統(tǒng)計，這意味著交換兩個相同的準粒子將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為新的量子狀態(tài)，而不是將其返回到原始狀態(tài)。該屬性通過編織實現(xiàn)量子操作 - 以受控方式對MZM進行交換。由于量子信息是在多個MZM上非局部編碼的，因此它固有地對小誤差具有抗性，使其非常適合容忍故障的QC。

如何處理和讀取量子信息

微軟已經(jīng)實施了一種新型技術(shù)，可以讀取兩個毫克之間編碼的量子信息。數(shù)字開關(guān)將納米線的兩端連接到量子點，這是一個小的半導體結(jié)構(gòu)，能夠存儲小電荷。

這種耦合會影響量子點的充電能力，這取決于納米線的奇偶校驗。為了測量這一點，微波在量子點處被束縛，并且反射的信號揭示了與電子平價相對應(yīng)的量子狀態(tài)。如果電荷變化足夠大，則測量誤差概率仍然很低(?1%)，而微軟旨在在將來的迭代中進一步減少它。

該系統(tǒng)還可以抵抗外部噪聲。如果電磁輻射破壞了庫珀對，則可能會出現(xiàn)未配對的電子，可能會將Qubit狀態(tài)從偶數(shù)變?yōu)槠鏀?shù)。但是，微軟報告說，這一事件很少見，平均每毫秒一次。

此外，這種基于測量的方法顯著改善了量子誤差校正。整個錯誤校正過程是通過由數(shù)字脈沖觸發(fā)的測量步驟執(zhí)行的，該測量步驟通過數(shù)字脈沖觸發(fā)，該步驟動態(tài)連接并斷開量子點與納米線。這種數(shù)字控制的方法對于管理大量Qubits是更有效的，這是現(xiàn)實世界中量子處理器的關(guān)鍵要求。

Majorana 1類籌碼的前景

微軟最近對Majorana 1 Chip的揭幕，伴隨著Microsoft首席執(zhí)行官Satya Nadella的著名評論，后者將新物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)描述為一種關(guān)鍵的開發(fā)，從而實現(xiàn)了更穩(wěn)定的Qubits。

微軟在很大程度上完成了基礎(chǔ)研究，并迅速促進了工程實施，并在設(shè)計和編程方面進行了優(yōu)化。

一些專家警告不要對此類進步過度樂觀，因為通往可靠的質(zhì)量控制之路仍然充滿了挑戰(zhàn)和技術(shù)障礙。然而，Majorana 1芯片可以通過其創(chuàng)新的量子處理能力來徹底改變多個領(lǐng)域。

其有希望的應(yīng)用之一是對復雜過程的優(yōu)化，包括供應(yīng)鏈物流，制造和材料科學，尤其是在發(fā)現(xiàn)新藥中，通過以前所未有的規(guī)模和速度模擬分子相互作用。

QC還可以增強AI算法，從而使機器學習和數(shù)據(jù)分析更快，更有效。來自基于拓撲的計算的另一個關(guān)鍵區(qū)域是加密圖，在此過程中，增強的加密技術(shù)將使數(shù)據(jù)傳輸更加安全和有彈性。

此外，量子的進步可以顯著改善氣候建模，從而可以進行更準確的預測并提供對極端天氣事件的早期警告。

微軟表示，一百萬倍的 機器可以實現(xiàn)開創(chuàng)性的壯舉，例如為飛機和催化劑設(shè)計自我修復材料，以將塑料回收到有用的副產(chǎn)品中。它還可以賦予生物學家提取促進土壤生育能力，支持可持續(xù)糧食生產(chǎn)并解決全球饑餓的酶。