介紹
本週，微軟因推出其突破性的量子電腦晶片 Majorana 1 而成為頭條新聞。
目前，Majorana 1 有 8 個量子位元，但微軟計劃在未來將其擴大到 100 萬個量子位元。這項進步重塑了實用量子電腦的時間表，將等待時間從幾十年縮短到幾年。
在本文中，我們將探討量子運算的變革潛力，研究其歷史背景，深入研究 Majorana 1 的具體細節，並評估產業對量子運算發展時間表的預測。
量子運算的優勢
量子電腦多年來一直是個流行詞，但許多人卻覺得這個主題令人望而生畏。關鍵在於，一旦完全實現，量子電腦將在解決特定問題方面勝過傳統系統，從而顯著加快複雜資料的處理速度。
傳統運算依賴位元，位元代表二進位值 0 或 1。這種順序處理雖然有效，但本質上限制了計算速度。
相較之下，量子電腦使用量子位元，量子位元具有獨特的屬性，可以同時表示 0、1 或兩者——這種現象稱為疊加。這種能力使量子系統能夠並行處理訊息，從而大大提高效率。
量子計算的另一個強大的方面是糾纏，其中量子位元以這樣一種方式相互連接，即一個量子位元的狀態直接影響另一個量子位元的狀態，無論距離多遠。這種關係提高了資訊處理的速度，並有助於解決複雜的問題。
干涉是量子計算的另一個基本原理，它有助於改進計算結果。透過放大期望結果同時最小化其他結果，幹擾可以優化計算效率。
量子電腦利用量子閘來補充傳統電腦中使用的邏輯閘，以執行量子演算法，例如用於分解大數的 Shor 演算法和用於加速資料庫搜尋的 Grover 演算法。這種能力使量子機器能夠解決經典系統無法有效解決的問題。
實用量子運算的實現將徹底改變許多領域，包括密碼學、製藥、人工智慧、金融服務、氣候建模等等。例如，雖然量子電腦對目前的加密方法構成了威脅，但它們也可能為更安全的加密系統鋪平道路。
此外，量子電腦在加速藥物發現和改進材料科學方面具有巨大的潛力，增強了我們以前所未有的精度模擬分子相互作用的能力。
在金融領域，量子運算將透過同時評估多種情境來實現更複雜的投資策略。醫療保健、電信和製造業等各行業都將從量子運算所帶來的效率中獲益良多，這可能會節省成本，使消費者受益。
量子計算歷史簡要概述
量子計算的基本概念出現於 20 世紀 80 年代，但其起源尚不清楚。美國物理學家保羅·貝尼奧夫 (Paul Benioff) 是最早描述量子力學計算模型的人之一，而理查德·費曼 (Richard Feynman) 則建議利用量子計算來模擬傳統計算機難以有效建模的物理系統。
英國物理學家大衛·多伊奇做出了具有里程碑意義的貢獻，包括量子圖靈機和量子糾錯原理，為未來的進步奠定了基礎。
1990 年代出現了 Shor 和 Grover 等關鍵量子演算法，以及 IBM 和 MIT 等機構推出的早期量子電腦原型。
21 世紀初，微軟開始了對拓樸量子理論的探索，為 Majorana 1 晶片奠定了基礎。具有里程碑意義的 D-Wave One 於 2011 年作為第一台商用量子電腦而引起轟動，隨後谷歌的 Sycamore 於 2019 年通過比傳統系統快得多的速度解決複雜問題實現了量子霸權。
進入 2020 年代，IBM、Google和微軟等大型科技公司在實用量子電腦競賽中脫穎而出，設定了雄心勃勃的發展里程碑，旨在到 2035 年左右實現變革性突破。
微軟意識到軟體開發對於補充硬體進步的迫切需求，因此推出了Q# 程式語言，為其生態系統中的量子演算法實作提供了高階語法。類似地，IBM 的 OpenQASM 和 Google 的 Cirq 框架使開發人員能夠創建量子應用程序，通常在部署到量子硬體之前利用模擬器。
微軟的量子運算路線圖和 Majorana 1
2025 年 2 月 19 日，微軟推出了 Majorana 1 量子晶片，最初有 8 個拓樸量子位元，但設計可擴充至 100 萬。這項創新因拓樸量子位元提供的卓越抗錯誤能力而從競爭對手中脫穎而出，這項特性對於克服量子運算中的常見挑戰至關重要。
由於量子態非常脆弱，因此抗錯誤能力至關重要。隨著微軟逐漸增加量子位元的數量，拓樸量子位元在最小化錯誤方面的優勢將日益明顯。
Majorana 1 晶片的命名是為了向義大利物理學家 Ettore Majorana 致敬，他提出了馬約拉納粒子的理論——一種為拓撲量子位元貢獻基礎屬性的獨特實體。這些量子位元固有的錯誤恢復能力源自於馬約拉納粒子作為其反粒子的獨特特性，有助於更穩定的資料編碼。
微軟的 Majorana 1 晶片標誌著創建實用量子系統的全面六步驟路線圖的第二階段。路線圖的各個階段包括：
里程碑 01：創造並控制馬約拉納粒子
用於誘導和操縱物質拓樸相的設備工程使得新型量子位元的發展成為可能。
里程碑 02：硬體保護的量子比特
此步驟引入了具有內建錯誤保護功能的受保護量子位元，將量子位元技術從類比控制轉變為數位控制。
里程碑 03：高品質硬體保護的量子比特
其目的是透過高品質、數位控制的量子比特的糾纏和編織來擴大操作規模，同時最大限度地減少錯誤。
里程碑 04：多量子位元系統
多面量子處理單元 (QPU) 透過組合量子位元操作實現一系列量子演算法。
里程碑 05：彈性量子系統
利用真正的邏輯量子位元實現操作優勢，為可靠的量子操作奠定了基礎，並為量子超級運算奠定了基礎。
里程碑 06：量子超級計算機
量子超級電腦將超越傳統系統，最初可解決每秒 100 萬個可靠的 rQOPS 的計算挑戰，錯誤率不到萬億分之一，對於高級科學問題，可擴展到 1 億個。
從第一個里程碑到第二個里程碑的進展耗時 18 個月，微軟堅定地致力於在相似的時間範圍內實現後續里程碑。這種樂觀的前景表明，微軟最早可以在 2031 年實現其最終目標，儘管根據每個階段的複雜性，目標可能會延長到 2035 年。
微軟在 Majorana 1 晶片上的工作引起了廣泛關注，尤其是美國國防高級研究計劃局 (DARPA)。微軟是 DARPA 實用規模量子運算未充分探索系統 (US2QC) 計畫中僅有的兩家取得進展的公司之一，該計畫旨在開發第一台實用規模的容錯量子電腦。
量子運算的未來：我們離它還有多遠？
確定完全功能性量子電腦到來的確切時間仍然具有挑戰性。目前，數百個量子位元的系統已經可以運行，但實現一百萬個穩定的量子位元仍然是一個遙遠的目標。減少錯誤和極端冷卻的需求等技術問題是持續存在的障礙。
谷歌遵循與微軟類似的模式，制定了六步路線圖，分別在 2019 年和 2023 年實現最初的兩個里程碑。在後期，Google展示了搭載100個實體量子位元的量子計算機，並希望透過後續的里程碑，達到1, 000、10, 000、100, 000，最終達到100萬個實體量子位元。
如果Google保持目前的發展速度，里程碑 3、4、5 和 6 可能分別在 2027 年、2031 年、2035 年和 2039 年實現，與微軟的預測非常接近。
IBM 預測，到 2033 年，將會有一台能夠運行數千個邏輯量子位元的量子電腦。雖然 IBM 和谷歌採取了類似的策略，但微軟使用拓樸量子位元的方法可能因其固有的穩定設計而提供競爭優勢。
在實用量子電腦普及之前，必須克服許多挑戰，包括最小化錯誤率、解決退相干問題和克服可擴展性問題。目前運作的量子系統的量子位元有限，增加其數量會增加複雜性。
為了使量子計算從理論轉變為實際應用，包括半導體和拓樸絕緣體在內的材料的進步至關重要。這些材料必須穩定、經濟、可重複，以支援大規模量子系統。
目前，營運成本和冷卻需求限制了量子運算在政府和大型科技公司的部署，因此需要實現小型化和在更高溫度下發揮功能的創新。
最後，不同系統之間缺乏標準化構成了長期挑戰。由於各個科技公司都追求獨特的方法，統一的標準對於未來更廣泛的整合至關重要。
結論
這篇社論概述了量子電腦的眾多優勢，提供了其發展簡明的歷史，並闡明了微軟 Majorana 1 晶片的意義以及實用量子運算的當前時間表。
Majorana 1 的發布標誌著向前邁出了實質性的一步，展示了微軟在解決與錯誤率相關的關鍵挑戰方面取得的進展，同時規劃了邁向百萬量子比特未來的道路。該科技巨頭聲稱量子運算的實現已不再遙遠，這是一個大膽而令人興奮的說法。
量子運算的影響是巨大的，有望在醫療保健、材料科學和氣候建模等領域取得進展。正如 ChatGPT 等人工智慧技術開啟了新的可能性一樣，量子運算的未來無疑也為整個社會帶來了類似的變革潛力。
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