量子计算领域的技术探索——聚焦隐秘马约拉纳量子比特

Chris Palmer

工程（英文） ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (12) : 8 -10.

PDF (1133KB)
工程（英文） ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (12) : 8 -10. DOI: 10.1016/j.eng.2025.09.020
新闻热点

量子计算领域的技术探索——聚焦隐秘马约拉纳量子比特

作者信息 +

Quantum Computing Gamble Bets on Stealthy Majorana Qubits

Author information +
文章历史 +
PDF (1160K)

引用本文

引用格式 ▾
Chris Palmer. 量子计算领域的技术探索——聚焦隐秘马约拉纳量子比特[J]. 工程（英文）, 2025, 55(12): 8-10 DOI:10.1016/j.eng.2025.09.020

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

2025年2月19日，《自然》期刊刊登了一篇重磅论文[1]，微软公司（美国华盛顿州雷德蒙德市）借此再度点燃了外界对其独树一帜的量子计算愿景的关注：利用物理学中最奇特、最难捕捉的粒子之一——马约拉纳费米子（Majorana fermion），打造稳定且具备抗错能力的量子比特。微软公司Azure Quantum研究团队在文中阐述了对这种尚处于理论阶段的粒子的探测手段[1]（微软公司首席执行官将该粒子称为“一种全新的物质状态”[2]），并展示了一款基于此类粒子驱动的芯片设计（图1）[3]。这一系列进展再次将聚光灯引向了微软公司构建拓扑量子计算机的宏伟目标。倘若这一技术路径行得通，微软公司有望借此实现跨越式发展，从而将量子计算领域的其他竞争者远远甩在身后。
“如果能消除几乎所有的退相干，那就算大功告成了。”南加利福尼亚州大学（美国加利福尼亚州洛杉矶市）量子信息科学与技术中心主任、工程学教授Daniel Lidar如是评价，“这正是量子计算领域梦寐以求的‘圣杯’。”
然而，微软公司的这一最新成果是否真如其自我评价那般令人振奋，目前仍未明确。科学界似乎并不认同该公司的主张[4‒8]。正如Lidar所言：“迄今为止，学界尚未达成共识，认为他们确凿无疑地观测到了马约拉纳粒子。”
围绕微软公司马约拉纳项目的争议最早可追溯至2018年。当时，其Azure Quantum研究团队成员在《自然》期刊上发表论文，随后该论文因数据分析问题受到审查后于2021年被撤回[9‒11]。“要证明马约拉纳粒子的存在，门槛非常高。”Lidar指出。他分析道，尽管2018年的实验结果与观测到马约拉纳费米子的现象相符，但同样可以用其他理论来解释。“最终，事实证明其他解释才是正确的——他们这次的新成果可能也存在同样的情况。”
此外，微软公司赞助并由哥本哈根大学研究人员主导的一项工作，曾于2020年在《科学》期刊以“首发论文”的形式发表，该研究声称在微小的“纳米线”中观测到了马约拉纳粒子[12]。然而，2021年，针对德国于利希研究中心（Jülich Research Center）研究人员提出的关于“数据挑拣”的质疑[13‒14]，出版商对该论文加注了“编辑部关注声明”[15]。四年后，即2025年8月，随着哥本哈根大学对此事调查的结束，《科学》期刊撤回了该“编辑部关注声明”，并刊登了一则勘误，补充了原始论文中遗漏的数据[16]。哥本哈根大学的调查结论显示，尽管研究人员在数据筛选上运用了主观判断，但其行为并不构成疏忽或学术不端，且被排除的数据并未动摇论文的核心结论。尽管如此，仍有部分质疑者对此持保留态度[13‒14]。
在晦涩深奥的亚原子粒子物理学领域，科学家迄今已发现了十余种基础费米子，涵盖六种夸克和六种轻子，此外还有若干种粒子仅停留在理论预测阶段，尚未经由实验观测证实[17]。然而，马约拉纳费米子与大多数拥有独立反粒子（如电子及其对应的正电子）的亚原子粒子有着本质区别。作为一种独特的粒子，马约拉纳费米子在理论上被定义为自身的反粒子[18]。正是基于这一奇特属性，利用马约拉纳粒子进行量子计算的构想在二十余年来一直深深吸引着该领域的专家[1]。马约拉纳粒子的概念最早由意大利物理学家Ettore Majorana于1937年提出，理论认为其会出现在拓扑超导体中。与常规超导体不同，拓扑超导体的整体结构或形态能为其提供天然屏障，使其免受环境噪声的干扰[18]。
微软公司的马约拉纳技术路径依托于一套精密复杂的硬件装置，该装置由半导体材料锑化铟制成的纳米线构成，外部包裹着一层超导铝壳。研究人员对这些纳米线的形状与排列进行了精确把控，旨在最大限度削减可能破坏脆弱量子态的环境噪声。在亚开尔文温度下，铝会进入超导相。在适宜的电压和磁场条件下，研究团队观测到了所谓的“马约拉纳零能模”特征，这是一种局域化状态，表现出类似于马约拉纳费米子的行为特性，它们出现在纳米线的两端[1,18]。
“马约拉纳零能模极难测量。”南加利福尼亚州大学物理与天文学（研究型）副教授Itay Hen说道，他长期致力于量子模拟算法的开发。“它们之所以呈鲁棒状态，不易被摧毁，恰恰意味着它们与环境隔绝，深藏不露。”
如果此次测量到的特征确实如报道所言代表了马约拉纳零能模，那么微软公司打造的这套硬件便有望成为构建高鲁棒性量子比特的基石[2]，从而令其免受困扰着大多数其他量子计算架构的噪声侵扰。在那些传统架构中，往往需要动用数百个物理量子比特才能生成一个逻辑量子比特，而在某些情况下，至少有99%的物理量子比特承担了纠错的任务[19]。“如果马约拉纳量子比特真能达到宣传中的效果，从根本原理上讲，我们仅需约一百个量子比特便能构建出一台实用的机器。”劳伦斯伯克利国家实验室（美国加利福尼亚州伯克利市）计算科学部门主管兼资深科学家Bert de Jong如是评价。
马约拉纳粒子理论上的优势在于其拓扑特性，即其组成部分之间的空间关系。存储在拓扑量子比特中的信息具有非局域性，这一特性宛如在绳索上打结一般。只要绳结未解开，无论绳索如何弯曲或拉伸，其中的信息均能得到完好保存。“拓扑量子计算之美——特别是利用费米子的方案，在于其对环境干扰具有极强的稳定性。”Lidar评价道，“这种量子比特天生具备鲁棒性——若能有人成功证明这一点，这将是量子计算领域向前迈出的关键一步。”
微软团队声称，他们已成功展示了马约拉纳系统的一项关键特征——非局域隧穿效应，即量子信息存储于空间分离的粒子之间，这与拓扑相的特征相符[1]。然而，批评者指出，相关证据仍不明确。“他们的论文实际上并未宣称观测到了马约拉纳费米子，更遑论对其进行操控。”Lidar说，“这篇论文更像是一份蓝图以及对一种实验性光谱学装置的测试，该装置有望检测到费米子存在的特征。”
外界针对微软团队研究的审视力度日益加大，各项质疑已见诸发表的评论文章。例如，2025年3月，圣安德鲁斯大学（英国苏格兰）的一位研究员撰写了一篇预印本论文，针对微软公司在搜寻马约拉纳粒子时所采用的测试方案提出了质疑[20]。该测试方案被称为拓扑间隙协议（TGP），并未在微软2025年2月发表在《自然》期刊的论文中提及。但微软随后表示，其正是利用TGP创建了拓扑量子比特[6]。同年6月，新南威尔士大学（澳大利亚悉尼）的一个团队发表了另一篇预印本论文，指出马约拉纳粒子的退相干时间过短，难以支撑其作为量子比特的实际应用，并强调若要实现足够的退相干时间，必须取得材料科学层面的重大突破[21]。对于这些观点，微软均予以了反驳[22]。
2025年7月，微软发表了另一篇预印本论文，该论文描述了一种能够完全控制并读取拓扑量子比特状态的装置[23]。该论文还报道称，其测得的退相干时间足够长，足以支持量子计算的运行。然而，其他专家再次指出，这些测量结果同样可能与非拓扑系统相符，并且文中并未提供观测到马约拉纳费米子的确凿证据[24]。
Lidar表示，好消息在于，一旦微软的研究人员确凿无疑地观测到了马约拉纳费米子，那么该公司实际上就等于掌握了完整的逻辑量子比特。然而，构建拓扑量子比特仅仅是开端。真正的考验在于，在保持其独特的抗噪声能力的同时，实现多个马约拉纳量子比特纠缠。Lidar表示，这或许是微软团队面临的最大挑战。“目前尚不清楚他们能否将多个量子比特连接起来，同时仍保持系统的拓扑特性，因为这些连接体本身或许就容易受到环境噪声的干扰。”
尽管遭遇挫折且面临质疑，Lidar认为微软并未因此放弃对拓扑量子计算机的追求。“恰恰相反，他们正在加码投入，这无疑是件好事。”他说道，“学界普遍共识是，持续探索这一技术路径至关重要。”Hen也表示，他看到了微软对马约拉纳粒子研究的坚定投入：“他们所开展的研究在各个层面上都是全新的：量子比特是新的，制备工艺是新的，协议也是新的，一切都是全新的、独一无二的，若采用其他方法来实现将十分困难。”
不过，与此同时，微软公司似乎也在为这场围绕马约拉纳粒子的豪赌增加一道保险——开发了一套与硬件无关的量子计算软件栈。“微软公司一方面在硬件技术上投入巨资，另一方面也在开发能够跨平台运行的软件栈。”de Jong说。2024年11月，Atom Computing公司（美国科罗拉多州博尔德）利用微软的Azure Quantum计算平台，成功让基于中性原子的24个逻辑量子比特实现了纠缠，创下当时纠缠量子比特数量最多的纪录[25]。这一纪录随后于2025年5月被Quantinuum公司（美国科罗拉多州布鲁姆菲尔德）打破，该公司报道已实现了50个量子比特的纠缠[26]。微软公司与Atom团队还利用112个物理量子比特成功构建了28个逻辑量子比特，并展现出其在执行可靠运算的同时进行错误检测与纠正的能力[25]。目前，这两家公司正携手为诺和诺德基金会（Novo Nordisk Foundation，位于丹麦赫勒鲁普）打造一台商用量子计算机，该量子计算机计划于2027年前正式上线运行[27]。微软公司还与Quantinuum公司建立了合作伙伴关系，共同研发了一台离子阱量子计算机，该计算机通过56个物理量子比特构建了12个逻辑量子比特[28]。
作为衡量微软公司硬件进展的风向标，Hen和de Jong均指出了该公司在美国国防部高级研究计划局（DARPA）量子基准计划（QBI）中取得的阶段性突破[29]。2025年2月初，也就是上述《自然》论文发表的两周前，DARPA选中微软与PsiQuantum公司（位于美国加利福尼亚州帕洛阿尔托，采用光子学方法，通过光路中传输的单光子来编码量子比特），共同进入 QBI的“未充分探索实用规模量子计算系统”（Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing）项目的最终选拔阶段[30]。“如果政府认可你从阶段A到阶段B再到阶段C，这无疑具有重要意义。”Hen说道。
微软公司基于马约拉纳粒子的硬件技术路径，与IBM（美国纽约州阿蒙克）、Google（美国加利福尼亚州山景城）和Amazon（美国华盛顿州西雅图）等其他领军企业所追求的量子计算架构有着显著差异。这些企业一直致力于推进超导量子比特平台的发展，并专注于通过新的工程手段提升门保真度、相干时间以及纠错能力[31]。例如，IBM公司最新的156量子比特Heron R2芯片采用了六边形量子比特布局，并配备了可调耦合器等创新技术来抑制噪声，从而使包含数千次操作的电路能够可靠运行[32]。该公司计划在2028年构建一台拥有200个逻辑量子比特的机器，并于2029年推出云端可访问版本[33]。Google公司近期发布的Willow芯片则证明，在表面码中增加量子比特可以指数级降低错误率，从而达成逻辑量子比特性能提升的关键阈值[34]。Google公司的目标是在2028年打造出拥有100个或更多逻辑量子比特的机器[35]。Amazon公司的Ocelot则采用了一种更为高效的纠错方案，构建单个逻辑量子比特仅需9个物理量子比特[36]。
相较于基于超导的量子计算机，离子阱系统之类的其他平台可能具备多重优势，包括精度更高的量子操作、更长的相干时间、全连接架构以及更易于扩展[37]。该技术路径的领军企业包括Quantinuum和IonQ（美国马里兰州学院公园市）[38‒39]。IonQ公司计划到2030年构建一套拥有200万个物理量子比特的离子阱系统，预计可产出4万至8万个经过纠错的逻辑量子比特[31]。
然而，尽管这些技术平台背后有巨额资金支持，且不断攻克了各类里程碑式的技术节点[34,40‒41]，但人们曾寄予厚望并大肆宣传的量子计算的宏伟前景，似乎仍像行踪诡秘的马约拉纳粒子一样，难以捉摸。Hen指出，大众真正期盼的是在实际应用层面取得突破性进展。“坦白说，对于我们能否亲眼见证这一天，我持审慎的悲观态度。”他表示，“但若真有突破发生，那首先会出现在量子模拟领域，用于探索量子材料，从而助力药物设计或材料科学的发展。”

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

Quantum MA, Aghaee M, Alcaraz Ramirez A, Alan Z, Ali R, Andrzejczuk M, et al. Interferometric single-shot parity measurement in InAs‒Al hybrid devices. Nature. 2025;638:651‒5.
[2]

Nadella S. Post [Internet]. Bastrop: X; 2025 Feb 19 [cited 2025 Aug 7]. Available from:

[3]

Nayak C. Microsoft unveils Majorana 1, the world’s first quantum processor powered by topological qubits [Internet]. Redmond: Microsoft Azure; 2025 Feb 19 [cited 2025 Jul 21]. Available from:

[4]

Castelvecchi D. Microsoft claims quantum-computing breakthrough—but some physicists are sceptical [Internet]. London: Nature; 2025 Feb 19 [cited 2025 Jul 21]. Available from: 10.1038/d41586-025-00527-z
[5]

Nguyen B. Amazon executive casts doubt on Microsoft’s quantum computing chip [Internet]. New York City: Quartz; 2025 Mar 7 [cited 2025 Jul 21]. Available from:

[6]

Garisto D. Microsoft quantum computing ‘breakthrough’ faces fresh challenge. Nature 2025;639:555‒6. . 10.1038/d41586-025-00683-2
[7]

Fox J. “This is essentially a fraudulent project”: some scientists are firing shots at Microsoft’s recent quantum computing claims [Internet]. New York City: PC Gamer; 2025 Mar 13 [cited 2025 Jul 21]. Available from:

[8]

Conover E. Physicists are mostly unconvinced by Microsoft’s new topological quantum chip [Internet]. Washington, DC: Science News; 2025 Mar 27 [cited 2025 Jul 21]. Available from:

[9]

Zhang H, Liu CX, Gazibegovic S, Xu D, Logan JA, Wang G, et al. Retracted article: quantized Majorana conductance. Nature 2018;556:74‒9. . 10.1038/nature26142
[10]

Zhang H, Liu CX, Gazibegovic S, Xu D, Logan JA, Wang G, et al. Retraction note: quantized Majorana conductance. Nature 2021;591:E30. . 10.1038/s41586-021-03373-x
[11]

Castelvecchi D. Evidence of elusive Majorana particle dies—but computing hope lives on. Nature 2021;591:354‒5. . 10.1038/d41586-021-00612-z
[12]

Vaitiekėnas S, Winkler GW, Van Heck B, Karzig T, Deng MT, Flensberg K, et al. Flux-induced topological superconductivity in full-shell nanowires. Science 2020;367(6485):eaav3392. . 10.1126/science.aav3392
[13]

Mann A. Corrected study rekindles debate over Microsoft’s quantum computing research [Internet]. Washington, DC: Science; 2025 Aug 14 [cited 2025 Aug 16]. Available from: 10.1126/science.z44ot62
[14]

Garisto D. Controversial quantum-computing paper gets hefty correction—but concerns linger [Internet]. London: Nature; 2025 Aug 14 [cited 2025 Aug 16]. Available from: 10.1038/d41586-025-02587-7
[15]

Thorp HH. Editorial expression of concern. Science 2021;373(6554):500. . 10.1126/science.abl5286
[16]

Thorp HH. Erratum for the research article “flux-induced topological superconductivity in full-shell nanowires” by S. Vaitiekėnaset al. Science 2025;389(6761):eaea6837. . 10.1126/science.aea6837
[17]

Wolchover N, Velasco S, Reading-Ikkanda L. A new map of all the particles and forces [Internet]. New York City: Quanta Magazine; 2020 Oct 22 [cited 2025 Aug 6]. Available from:

[18]

Techscribe Q. Microsoft quantum achieves major breakthrough in topological quantum computing with Majorana tetron device [Internet]. Berlin: Quantum Zeitgeist; 2025 Jul 16 [cited 2025 Jul 21]. Available from:

[19]

Brubaker B. Quantum computers cross critical error threshold [Internet]. New York City: Quanta Magazine; 2024 Dec 9 [cited 2025 Aug 6]. Available from:

[20]

Legg HF. Comment on “Interferometric single-shot parity measurement in InAs‒Al hybrid devices”, Microsoft Quantum, Nature 638, 651‒655(2025). 2025. arXiv:
[21]

Alase A, Goffage MC, Cassidy MC, Coppersmith SN. Decoherence of Majorana qubits by 1/f noise. 2025. arXiv:
[22]

Russell J. Another challenge to Microsoft’s Majorana quantum roadmap? [Internet]. San Diego: HPCwire; 2025 Jul 2 [cited 2025 Jul 21]. Available from:

[23]

Aghaee M, Alam Z, Andersen R, Andrzejczuk M, Antipov A, Astafev M, et al. Distinct lifetimes for X and Z loop measurements in a Majorana tetron device. 2025. arXiv:
[24]

Swayne M. Microsoft shows distinct parity lifetimes in topological qubit prototype [Internet]. Toronto: The Quantum Insider; 2025 Jul 15 [cited 2025 Jul 21]. Available from:

[25]

Svore K. Microsoft and Atom Computing offer a commercial quantum machine with the largest number of entangled logical qubits on record [Internet]. Redmond: Microsoft; 2024 Nov 19 [cited 2025 Jul 21]. Available from:

[26]

Swayne M. Quantinuum entangles 50 logical qubits, reports on quantum error correction advances [Internet]. Toronto: The Quantum Insider; 2025 May 9 [cited 2025 Aug 6]. Available from:

[27]

Novo Nordisk Foundation. EIFO and the Novo Nordisk Foundation acquire the world’s most powerful quantum computer [Internet]. Hellerup: Novo Nordisk Foundation; 2025 Jul 17 [cited 2025 Jul 21]. Available from:

[28]

Udinmwen E. A new era of quantum computing emerges as Microsoft and Quantinuum partnership advances logical qubit development [Internet]. London: TechRadar Pro; 2024 Oct 6 [cited 2025 Jul 21]. Available from: 10.1002/9781394157846.ch11
[29]

Defense Advanced Research Projects Agency. Companies targeting quantum computers [Internet]. Arlington: Defense Advanced Research Projects Agency; 2025 Apr 3 [cited 2025 Jul 21]. Available from:

[30]

Defense Advanced Research Projects Agency. Quantum computing approaches: a diverse path to breakthroughs [Internet]. Arlington: Defense Advanced Research Projects Agency; 2025 Feb 6 [cited 2025 Jul 21]. Available from:

[31]

Google. Gerstl S, Microsoft, and Amazon’s Quantum chips : capabilities and key differences [Internet]. All About Industries; 2024 Mar 6 [cited 2025 Aug 6]. Available from:

[32]

Trueman C. IBM launches Aachen, a 156-qubit quantum system powered by Heron R2 processor [Internet]. London: Datacenter Dynamics; 2025 Apr 16 [cited 2025 Jul 21]. Available from:

[33]

Chen S. IBM aims to build the world’s first large-scale, error-corrected quantum computer by 2028 [Internet]. Cambridge: MIT Technology Review;2025 Jun 10 [cited 2025 Jul 21]. Available from:

[34]

Palmer C. Scaled up chip pushes quantum computing a bit closer to reality. Engineering 2025;50:6‒8. . 10.1016/j.eng.2025.06.002
[35]

Ivezic M. IonQ’s 2025 roadmap: toward a cryptographically relevant quantum computer by 2028 [Internet]. London: Post-Quantum; 2025 Jun 19 [cited 2025 Jul 21]. Available from:

[36]

Chen S. Amazon’s first quantum computing chip makes its debut [Internet]. Cambridge: MIT Technology Review; 2025 Feb 27 [cited 2025 Jul 21]. Available from:

[37]

Brown KR, Kim J, Monroe C. Co-designing a scalable quantum computer with trapped atomic ions. npj Quantum Inf 2016;2(1):16034. . 10.1038/npjqi.2016.34
[38]

Obata A. 7 quantum companies utilising ion trap technology to build the future of quantum computing [Internet]. Berlin: Quantum Zeitgeist; 2022 Apr 20 [cited 2025 Aug 6]. Available from:

[39]

Dargan J. 6 best trapped ion quantum computing companies [2024] [Internet]. Toronto: The Quantum Insider; 2024 Apr 10 [cited 2025 Aug 6]. Available from: 10.1007/978-3-031-66477-9_1
[40]

Palmer C. Google takes a big step toward quantum computing. Engineering 2020;6(4):381‒3. . 10.1016/j.eng.2020.02.003
[41]

Palmer C. Quantum computing quickly scores second claim of supremacy. Engineering 2021;7(9):1199‒200. . 10.1016/j.eng.2021.07.006

AI Summary AI Mindmap
PDF (1133KB)

16700

访问

0

被引

详细
导航
相关文章

AI思维导图

/

〈 〉