【重磅】微软量子计算重大突破：量子系统或存在天使粒子

就在刚刚，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。

如果微软希望建造一台能工作的量子计算机，这将是至关重要的。

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比特！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

一个稳定的量子比特将会有 1000 个、甚至 10000 个嘈杂的量子比特那样强大

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 量子比特的计算机，但这些都是不精确的的量子比特。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。微软的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比特。

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

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。你可以在硬币的每一面设置一些初始值，例如高中学过的 a+bi 这样形式的复数。在操作时，输入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）。你还必须找到另一个系统，在这个系统中，即使你推动（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），以弥补这种推动。

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。

拓扑量子比特的示意图 via：微软

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比特状态。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比特状态之一：是，或者什么都不是。

但是，这只是创建了一个不太静态的系统。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 Gizmodo 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比特，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，但微软量子研究公司副总裁 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，这些拓扑量子比特还不能完成其他量子比特能够做的所有事情。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，“我们有一个计划。”

没有参与研究的物理学家们对此感到兴奋，原因有几个。伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校物理系副教授 Smitha Vishveshwara 告诉 Gizmodo 说：“我认为这篇论文很重要。” 她认为要做到编织（braid）还需要一定时间：“许多步骤仍然必须落实到位。但每当确认新的一步时，我都觉得这很刺激。”

她对物理本身同样兴奋。这些 “马约拉纳粒子” 最初被推定为以自身反粒子的形式存在于自由空间中。目前在自由空间中还没有发现马约拉纳粒子，但在像这样的系统中发现他们的模拟是很酷的。

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比特，但一直在开发量子硬件，以及量子计算机软件开发套件的工作。

微软有信心，如果它能够把所有东西都运转起来，它将拥有最好的能力，并且能够快速赶上竞争对手。 “我们有一个稳定的量子比特，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，两位是华人，分别是张浩、Chun-Xiao Liu 和 Sasa Gazibegovic。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，现在 TUDelft 做博士后。Chun-Xiao Liu 也是华人，所属机构是马里兰大学。

张浩（TU Delft）