2026年6月2日——Majorana 2 包含的马约拉纳量子比特，其可靠性比微软上一代量子处理单元高出 1000 倍。通过用铅替代铝构建的新材料叠层，创造出了高度可靠的拓扑量子比特，其操作速度可达微秒级，平均寿命为 20 秒，有时甚至超过一分钟。在人工智能的助力下，这一快速进展将微软交付可扩展量子计算机的时间表缩短了一半——目前预计在 2029 年之前实现。

为了制造出能够兑现量子技术承诺的容错量子计算机，我们必须设计并构建可扩展的量子处理器。拓扑量子比特因其固有的低错误率、小尺寸和数字控制特性，非常适合这项任务。然而，其背后的物理原理和工程实现充满了微妙挑战。微软量子团队在人工智能的协助下克服了其中许多挑战。关于 Majorana 2 的技术论文详细介绍了该团队如何利用新材料叠层设计并制造出最新的拓扑量子处理器。

基于铅的拓扑量子计算

为了制造 Majorana 2，微软量子团队改进了 Majorana 1 的材料叠层，以创建一个更稳定的拓扑相。Majorana 2 用铅取代了 Majorana 1 中的超导体铝，并将半导体有源区更新为砷化铟和锑化砷化铟的组合。这种材料上的改变带来了性能的显著提升，体现在拓扑相鲁棒性的增强。保护拓扑量子比特免受环境噪声和错误影响的拓扑能隙，是上一代量子处理器的两倍以上。

微软量子处理器中的栅极定义器件由四极管组成，这是一种由两端带有马约拉纳零模 (MZM) 的两条超导纳米线构成的拓扑量子比特。MZM 是拓扑量子比特的构建模块，通过拓扑超导导线中电子数的奇偶性（偶数或奇数）来存储量子信息。Majorana 2 是一个多四极管器件，其可扩展架构如图 1 所示。

基于测量的控制

在拓扑量子计算中，基本操作通过测量来实现。基于测量的操作通过确定拓扑超导导线的奇偶性来执行。每次奇偶性测量会得到一个 0 或 1 的结果，对应于拓扑超导导线中的电子数为偶数或奇数。在微软的设备中，量子比特可以通过一次测量（单发）读取，从而允许使用测量来进行计算。为了开启或关闭测量，微软使用数字脉冲来连接或断开量子点与纳米线。这种控制和读出方式，也可用于测量两个量子比特的联合奇偶性，从而实现量子纠错——这是容错量子计算的关键要素。计算被分解为一系列这样的测量，以及一个额外的操作，称为“魔法态”制备。

增强的拓扑量子比特

Majorana 2 中改进的材料特性转化为增强的量子比特性能。在基于铝的 Majorana 1 中，量子比特的寿命在 1 到 12 毫秒之间，而在 Majorana 2 中，寿命超过 20 秒，稳定性提升了超过 1000 倍。在某些情况下，量子比特寿命甚至超过了一分钟。这种寿命的延长归功于在材料叠层中使用铅而实现的更大拓扑能隙（图 2）。

通过 DARPA 量子基准测试计划取得进展

美国国防高级研究计划局 (DARPA) 此前已将微软推进至其旨在评估量子系统的严格计划的最终阶段，是仅有的两家公司之一。微软量子团队继续在 DARPA 的“未充分探索公用事业规模量子计算系统 (US2QC)”项目中取得进展，该项目是其更大的“量子基准测试计划 (QBI)”的组成部分。

DARPA 的 US2QC 项目及其更广泛的 QBI 代表了一种评估可能解决超越经典计算机能力问题的量子系统的严谨方法。迄今为止，US2QC 项目已汇聚来自 DARPA、空军研究实验室、约翰霍普金斯大学应用物理实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、橡树岭国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室和劳伦斯利弗莫尔国家实验室等机构的专家，共同验证量子硬件、软件和应用。展望未来，QBI 预计将有更多专家参与量子计算机的测试和评估。

此前，DARPA 根据评估认定微软有可能在合理的时间范围内构建实用规模的量子计算机，从而选择了微软进入早期阶段。随后，DARPA 评估了微软量子团队针对容错量子计算机的架构设计和工程计划。经过这一详细分析，DARPA 与微软签署了一项协议，开始该计划的最终阶段。在此阶段，微软计划在数年内（而非数十年）构建一个基于拓扑量子比特的容错原型机——这是迈向实用规模量子计算的关键加速步骤。

加速实现可扩展量子机器的路线图

通过克服物理学上的巨大障碍，Majorana 1 得以实现。在接下来的一年里，微软量子团队通过 Majorana 2 应对了制造拓扑量子比特的工程挑战。基于这一快速进展，微软正在加速其通向可扩展、实用的量子计算机的路线图——已将时间表缩短了一半，现在目标是在 2029 年之前实现这一目标。这一成就将标志着在通往变革性容错量子计算机的道路上迈出重要一步，这种计算机有可能解决影响全人类的问题。