微软量子计算重大突破：发现“天使粒子”马约拉纳费米子的存在证

编者按：今天，微软的研究人员在Nature发文，给出了发现天使粒子——马约拉纳费米子（Majorana fermion）存在的有力证据：电子在特殊制备的导线中分裂成半体。这一发现对微软乃至量子信息科学的发展都具有重大意义。研究人员还表示有望在今年年底前能够得到可工作的量子位。本文转载自微信公众号“新智元”。

就在今天，微软宣布了一项量子计算的重大突破：在一条导线中，电子分为两半。

微软的研究人员观察到被称为“天使粒子”的马约拉纳费米子（Majorana fermion）存在的相当有力的证据，电子在他们的导线中分裂成半体。

这一突破对于微软最终能否成功建造一台量子计算机至关重要。

IBM、谷歌、英特尔等大公司（甚至还有一些初创公司）已经造出具有多个量子位（量子比特）的量子计算机。微软看起来是落后的，它甚至没有产生过一个量子位！但是，微软正在研发自己的量子计算机，它结合brain-melting的物理机制，克服了困扰竞争对手的一大挑战。如果一切顺利的话，这将是一个非常重大的突破。

这是物理学家用来发现Majorana粒子最清晰信号的装置。中间的灰线是纳米线，绿色区域是超导铝条。Credit: Hao Zhang/QuTech

量子计算机是以量子物理学为基础的计算机，即研究微观粒子的物理学。量子计算机被用于执行普通计算机很难或不可能完成的计算。虽然谷歌有报道过72量子位的计算机，但这些都是不精确的量子位。来自外部环境的微小震动或能量都可能导致计算错误。但微软的“拓扑”量子计算机可能能够大大降低噪音。微软研究人员今年取得了一系列重要进展，包括今天发表在Nature的论文。他们认为，将在今年年底前得到可工作的量子位。

微软量子计算业务发展总监Julie Love几周前接受采访时说：“我们的一个量子位将会有1000个、甚至10000个嘈杂的量子位那样强大。”

计算机以比特（bits）作为计算单位，即二进制位，例如一枚硬币，可以是正面，也可以是反面。一个量子比特（quantum bit），或称量子位（qubit），也是一样的，只不过在计算过程中，硬币是在一个黑盒子里翻转。在操作时，你可以在硬币的每一面设置一些初始值，然后输出硬币是正面或反面的概率。只有打开盒子，你才能知道硬币的值。计算过程是通过将几个硬币同时放在盒子中，并以某种方式让它们相互作用，以让上面的初始值发生数学上的交互。现在，输出就跟所有的硬币相关，使得某些正面和反面的组合的概率更大，其他组合的概率更小。

这个系统可以用于很多事情，例如高级化学模拟、人工智能等。但关键是找到一种量子的“正面和反面”系统，在这个系统中，两种状态可以形成叠加（黑盒子）、纠缠（将硬币捆绑在一起）和干扰（硬币在盒子中纠缠时，概率发生变化）。你还必须找到一个系统，在这个系统中，即使你推（nudge）了盒子，硬币也仍会继续翻转，或者找到一种方法构建冗余（redundancies），以抵消“推”的影响。

微软的研究人员认为，克服这个问题的关键是拓扑系统（topological system）。这是一个工程系统，无论你如何改变它，都会保留一些固有的特性。这些特性即拓扑对象（ topological objects）。

研究人员首先需要构建他们的拓扑对象。微软专门制造了一条由锑化铟制成的半导体导线，并用超导铝包裹。在磁场中，将这条导线冷却至接近绝对零度，使电子形成一种集体行为，该行为迫使某些电子特性呈现离散值。

拓扑量子位的示意图

量子信息将被存储在这个系统中，但不是存储在单个粒子中，而是存储在整条导线的集体行为中。在磁场中操纵电线，可能会使电子的一半，或者更准确地说，是一半要成为电子但还不是电子的粒子，位于两端中的任意一端。这些所谓的马约拉纳费米子或马约拉纳费零模（Majorana zero-modes），受系统的集体拓扑行为保护，你可以在电线周围移动一个，而不会影响另一个。

这些马约拉纳零模也构成两个量子位状态。如果你把它们放在一起，它们要么变成零，要么变成一个完整的粒子。

这就是今天微软科学家所报道的进展：他们观察到这些马约拉纳零模存在的相当有力的证据，电子在他们的导线中分裂成半体。

本质上说，微软开发了一个由原子组成的系统，这个系统看上去在两端都有一个电子的一半。当你移动其中一个电子半体时，他们的特殊设置不会因为量子噪音而坏掉。把这两个电子半体放在一起，你就会得到两个量子位状态之一：是，或者什么都不是。

但是，要实际进行量子计算还有更多的事情要做。 “我们需要让两个马约拉纳粒子在彼此附近移动，这样交换所产生的效果应该显示非阿贝尔统计，”微软和代尔夫特理工大学研究员Leo Kouwenhoven接受采访时说（译注：非阿贝尔任意子由于其特殊的统计规律，在拓扑量子计算中有重要的应用）。

我们需要以某种方式实际操纵马约拉纳粒子。

所谓“非阿贝尔”，意思就是如果你在马约拉纳粒子上执行两种不同的操作，改变操作的顺序，将返回不同的结果。打个比方，如果你把手机往左转，再往右转，会得到一种结果；但是，如果你把手机先往右转，再往左转，就会得到另一种结果。这就是一组非阿贝尔行动。简单说，如果你用不同的方式交换马约拉纳粒子，你可以得到不同的测量结果。

从技术上讲，至少需要这样4个马约拉纳粒子来做量子计算。假设所有4个粒子都安排在“H”的四个角落，中间由两条特殊的导线相连。先交换上面两个马约拉纳粒子，然后交换下面两个，测量到的结果会跟先交换下面两个再交换上面两个不同。

这种交换动作称为编织（braiding）。基本上就是上面谈到的，在黑匣子中捆绑在一起的硬币。它必须是非阿贝尔的原因，是物理定律规定，每个粒子都是完全一样的。所以，用普通的电子建立这个系统并交换它们，不会留下关于以前发生的事情的任何知识。但是，用这些马约拉纳粒子的非阿贝尔性，意味着它们保留了之前发生的事情的记忆，这可以让研究人员分辨量子位，并且计算它们。

拓扑量子计算机（Topological Quantum Computer）的优势在于，它对外在噪声的抵抗力比普通的量子计算机更强，更具鲁棒性。最近几年，随着‘拓扑量子计算机’概念的出现，马约拉纳费米子受到了广泛的关注。

研究人员尚未通过实验展示编织，但主管微软量子研发的全球资深副总裁Todd Holmdahl表示，他们希望在一年内实现这一发现。

Kouwenhoven说，重要的是要注意，这些拓扑量子位还不能完成其他量子位能够做的所有事情。如果把两个量子态所有可能的组合，看做一个球体上的点，这些交换操作不能击中球面上的每个点。但是，Kouwenhoven暗示，“我们有下一步的计划。”

毋庸置疑，微软已经投入数百万美元用于发现高度工程化系统中的新物理，以便让量子计算机发挥作用。这也从某种意义上说明，为什么微软还没有做出来相互作用的量子位，但一直在开发量子硬件，以及量子开发工具包的工作。

微软有信心，只要能够把所有东西都运转起来，微软将拥有最好的能力，并且能够快速赶上竞争对手。 “我们有一个稳定的量子位，比其他人的更稳定，”Love说。 “你可以用砖块建造一座房子，但砖是造不出摩天大楼的，我们的量子就像钢铁一样，能建立起高楼大厦。”

相关研究发表在最新一期Nature杂志。

值得一提，这项工作的三位联合一作中，两位是华人，分别是张浩和Chun-Xiao Liu。其中，张浩（下图）本科毕业于北京大学物理系，在杜克大学取得博士学位，目前在代尔夫特理工大学做博士后。Chun-Xiao Liu也是华人，目前在马里兰大学。

Nature论文：

https://www.nature.com/articles/nature26142

Gizmodo原文：

https://gizmodo.com/how-will-microsofts-wild-electron-splitting-topological-1824142429

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