近日，微軟宣布Azure Quantum項目團隊已經開發出拓撲量子位的構模組化塊，能夠生成拓撲相位，并測量拓撲間隙，進而量化相位的穩定性。這些技術突破将有利于實作拓撲計算，為基于拓撲量子位的計算機奠定基礎。
用于測量拓撲間隙的裝置，圖檔來自微軟
目前，科學家正緻力于研究複雜的化學與分子過程，以幫助解決人類社會面臨的重大問題，例如如何減少大氣中的溫室氣體，生産更優質的電池和可持續能源，增加土地的食物産量，以及減少水污染等。
即使傳統計算機擁有龐大的計算能力，前述問題也超越了傳統計算機的極限，目前需要數十年、甚至數億年才能解決這些問題。然而，利用量子力學特性的量子計算機能夠以全新的方式，未來實作大規模的資訊處理。
“要讓世界可持續發展，或解決氣候變化的問題，就需要探索和優化分子，這是現今經典計算機無法完成的，而這正是量子計算機的作用所在。”微軟量子公司副總裁Zulfi Alam表示，“我相信，我們需要量子計算的能力來實作這些（目标）。”
微軟量子低溫冷卻系統，圖檔來自微軟
量子産業目前正在尋求許多不同的方式來開發量子位。當量子位保持在最佳狀态時，量子計算機就能在理論上利用量子力學的特性(如疊加、糾纏和幹涉)，來解決一些包含很多變量的複雜問題，但目前還沒有量子計算機能夠完全達到這樣的性能。
要建造一個商用型量子計算機，其量子位必須在三個次元上展現出良好性能，包括計算的可靠性、速度和大小。
但量子态本質上是極其脆弱和不穩定的，由于難以維持在一種狀态，量子位往往無法可靠地執行計算。當量子位遇到磁場等環境噪聲時，資訊很容易丢失，一旦錯誤開始出現，量子計算機不得不投入更多量子位來糾正錯誤。
是以，微軟團隊表示，他們一直專注于開發拓撲量子位。由于它具有内置的保護功能，可以不受環境噪聲影響，這意味着相比其它量子計算機，基于拓撲量子位的計算機在執行計算和糾正錯誤所需的量子位要少得多。團隊推測拓撲量子位可以快速處理資訊，甚至可以在一個比信用卡内置晶片還小的晶圓上，容納一百多萬個量子位。
實驗人員在微軟量子材料實驗室進行研究，圖檔來自微軟
基于二十年的投資與研究，Azure Quantum團隊設計出一款裝置，能夠由一對馬約拉納零模(Majorana zero modes)引發物質的拓撲相位。而這樣的量子激發态在自然界中通常不存在，必須在極其精确的條件下才能被引發出來。該團隊開發出一種工藝過程，以高度精确控制的方式，将半導體和超導材料分層放置到一個裝置上。在特定磁場和電壓下，該裝置可以産生一對馬約拉納零模的拓撲相位，以及可測量的拓撲間隙。
為了建立拓撲保護，量子資訊可以被編碼在一對實體上分離的馬約拉納零模中。這使得拓撲量子位對環境噪聲更加免疫。當它遇到一種環境噪聲時，該環境噪聲不會與量子位中的資訊互動或破壞資訊。在這種模式下要擷取量子資訊，就必須同時觀察兩個馬約拉納零模的組合狀态，以戰略性的方式進行測量，既實作量子操作，又為量子位建立拓撲保護。
目前，該團隊利用馬約拉納零模和可測量的拓撲間隙，建立了維持量子相位的能力，消除了制造拓撲量子位的最大技術障礙，将有助于未來微軟量子計算機利用拓撲量子位來存儲和計算資訊。
“微軟采取了這種非常冒險但回報很高的方法，試圖制造一個理論上可以獲得的最優質的量子位。但挑戰在于，沒有人在現實生活中真正見過馬約拉納零模，”微軟量子材料實驗室科學主任Peter Krogstrup說，“但現在我們已經做到了，這非常令人興奮。我們将繼續發展我們的工程技術，現在看來确實有一條通往大規模量子計算的道路。”