光子盒研究院

在未来十年内，微软打算建造一台量子超级计算机。

本周四，微软制定了一个开发自己的量子超级计算机的战略蓝图。设计它的团队将花费至少10年的研究时间，来建造一台能够每秒进行一百万次可靠量子操作的机器。

微软声称，它已经实现了一个关键步骤：即创造和控制被称为“马约拉那(Majoranas)”的量子粒子——这是保护量子计算机的第一步，而硬件是量子机器的基础。

马约拉纳量子比特的优点是非常稳定（尤其是与传统技术相比），但它们的构造也相当困难。微软很早就对这项技术下了赌注，现在，该团队正在发表一篇新的同行评审论文（发表在美国物理学会的《物理评论B》上），以向公众证明它确实已经实现了其量子超级计算机旅程中的这第一里程碑。

“InAs-Al hybrid devices passing the topological gap protocol”

微软团队的实验成果图示。(a) 线性“四元组”(linear tetron)，一个进行核聚变的最小装置。两个外部区域必须通过TGP调谐到拓扑相位，而中间部分必须处于triple相位（一种拓扑相）。这产生了一个具有四个MZM的器件。(b) 两个两边的四元组，可以用它进行基于测量的“编织”。有5个拓扑结构部分，中间的（紫色）是一个相干链路，用于连接两个四元组的左右两边。

在这项新的努力中，微软的团队表明，量子计算机的发展正遵循着与传统计算机类似的轨迹：新的概念之后是一系列的硬件升级、然后再出现实用的机器。在这期间，科学家们必须找到一种允许硬件扩展的新方法。

微软的科学家们设计了一种新的方式来表示具有硬件稳定性的逻辑量子比特。据报道，该设备可以诱导出一个以马约拉纳零模为特征的物质相（费米子的类型）。他们还报告说，这种设备已经证明了足够低的无序性，可以通过拓扑间隙协议(the topological gap protocol)，这证明该技术是可行的。

——他们认为，这代表了向创造（不仅是量子计算机）量子超级计算机迈出的第一步。

“今天，我们确实处于这个关键的实施层面。我们已经有了围绕物理量子比特构建的中等规模的量子机器，但它们还不够可靠，无法在科学或商业行业中执行任何有用的东西。”微软负责量子开发的副总裁Krysta Svore这样评价此次成果。

下一步，微软表示，他们将制造出受硬件保护的量子比特：这些量子比特将很小（每面小于10微米），速度快到足以在不到一微秒的时间内完成一个量子比特操作。

不过，尽管微软的研究人员说他们已经创造了马约拉纳零能模这种类粒子并发表相关文章，一些科学家们仍对此表示怀疑。

近日，在哈佛大学、普林斯顿大学领导的联合团队发表在《科学》期刊上的论文中，专家们指出，“当马约拉纳发现的说法基于实验测试、大大超出零偏压峰度(ZBP)等指标时，未来才有可能取得进展，因为ZBP充其量只是表明与马约拉纳解释的一致性。同样重要的是，这些发现要建立在对基础材料系统的出色理解之上。看来，对现有平台的进一步材料改进和对新材料平台的探索，都将是朝着马约拉纳的坚实证据取得进展的重要途径。然后，我们可以希望探索和利用拓扑保护的基态流形和非阿贝尔统计学的迷人物理学。”

具体来说，准粒子不是真正的粒子，而是电子等粒子共同作用时可能出现的集体振动。微软此次研发的准粒子被称为马约拉纳零能模，它作为自己的反粒子，具有相当于零的电荷和能量。这使得它们对干扰具有“弹性”（允许量子信息以非局域方式被编码和处理，提供了对退相干的内在保护）：因此它们可以成为空前可靠的量子比特，但这也使得它们臭名昭著地难以找到。

基于马约拉纳的拓扑量子比特。对拓扑量子比特的最小测试将是实施连续的Stern-Gerlach式实验。

——尽管对其存在与否众说纷纭，现在有一点是可以确定的：马约拉纳准粒子的明确发现将使拓扑量子计算的潜力更接近现实。

拟议的拓扑平台。(左图）高磁场中电子的拟议状态（偶数分母分数量子霍尔态）被预测为承载马约拉纳准粒子。(右图）超导体和其他材料的混合结构也被提出来承载这样的类粒子，并且可以被定制来创建基于马约拉纳的拓扑量子比特。

础物理学为追求这一研究方向提供了充分的动力。拓扑量子比特依赖于量子态，这些量子态被预测为承载一类新的准粒子：非阿贝尔任意子；其量子特性为编码和处理量子信息提供了根本性的新方法。尽管科学家们已经做了许多尝试，但非阿贝尔任意子的实验证据仍然有限，它们的统计学在很大程度上仍然是一种理论预测。此外，实现、探索和理解基础拓扑量子态所需的材料合成、实验进展和理论建模，都为发现新的量子现象提供了异常丰富的环境。

具有不同于自由电子特性的准粒子是凝聚态系统的一个标志。一个明显的表现是分数量子霍尔（FQH）效应。在磁场作用下，在二维空间运动的电子之间的强相互作用产生了拓扑量子态，这些量子态承载着任意子类粒子。对于许多FQH状态，任意子是非线性的，但有些状态预计会支持非线性任意子。现在，已有科学家（例如谷歌）实现了最简单的非阿贝尔任意子：伊辛任意子。伊辛任意子的存在意味着量子态的拓扑学退行性。这种退行性可以与相应的p波超导体中的马约拉纳零能模（MZM）相联系，这是建立拓扑量子比特的基础。

图中显示了任意子A、B、C和D（如伊辛任意子或MZM）的两个“编织”序列，它们实现了不同的单元变换，一般会产生不同的量子态。

模型系统。有一系列可能的平台来实现非阿贝尔任意子。A）在一些FQH状态下，强电子关联创造了拓扑相位，预计将支持带分数电的准粒子（QP）与相关的MZM。B，施加磁场。(B）一些平台，如半导体量子线和超导基底上的磁性原子链，与备受研究的Kitaev链密切相关。可以为在链的两端定位孤立的MZM创造条件。(C) 有效的p波超导性也可以通过将二维TI的螺旋边缘模式（边缘的红色和蓝色箭头）近距离耦合到一个磁绝缘体和一个超导体来实现，两者都会使边缘模式产生间隙。一个MZM被定位在这些间隙区域的边界上。(D) 将强自旋轨道材料和超导电极结合到约瑟夫森结中，也可以模拟Kitaev链。该结在两端承载着MZM，通过调整结上的相位差和施加磁场调谐到拓扑相位。

搜索MZM的实验平台。

对拓扑量子态的深入了解使人们认识到，有更多的材料可以承载非阿贝尔任意子：二维（2D）p波超导体的涡旋核心、无自旋费米子的一维p波超导体中等。总的来说，尽管科学家们检测和操纵非阿贝尔任意子（如MZM）的能力仍处于起步阶段，但关于这一领域的材料、工具和思想的研究是极为丰富的。

当前，该领域的挑战仍然是坚定地确立MZM和其他非阿贝尔任意子的实验存在。现在很清楚的是，零偏压峰度(zero-bias peaks, ZBP)本身并不能可靠地表明MZM。无论是在超导平台还是在FQH系统中，对独特的聚变特性进行实验测试，以确定这些准粒子的非阿贝尔行为将是非常可取的。对MZM的下一代测试也将探测其退化子空间内的相干动力学：这将是实现拓扑量子比特和全面测试非阿贝尔统计学的重要前奏。

未来的发展方向

纵览马约拉纳的研究历史，可以看出，通过实验确定非阿贝尔任意子的存在（如MZM），构成了一个非常值得关注的目标。80多年过去了，捕获马约拉纳费米子依旧是世界难题：现有的许多说法是基于相当间接的证据，除了少数广泛研究的平台外，并没有受到严格的审查或对其他解释的深入分析。然而，微软公司对马约拉纳费米子的存在深信不疑，并希望通过马约拉纳费米子来制造出真正稳定的量子比特。

Kitaev最早提出拓扑量子计算的设想，但主导微软量子计算研究的却另有其人——数学家Michael Freedman。

现年70岁的Freedman是一位数学天才，他16岁时就读于加州大学伯克利分校，22岁时获得普林斯顿大学的硕士学位。36岁时，他因解出了由来已久的庞加莱猜想（1904年法国数学家亨利·庞加莱首次提出这个问题）而获得数学界最高荣誉的菲尔兹奖（四年一届）。

庞加莱猜想是一个拓扑学中带有基本意义的命题，这项工作巩固了Freedman在拓扑领域的学术地位。

后来，Freedman的人生轨迹发生了改变。因为他的一位同事发现，描述节点拓扑的数学和解释某些量子现象的理论之间存在某种联系，于是1988年，Freedman进入物理学领域。

他随即就发现，拓扑与量子的联系使得由同一种量子物理控制的计算机能解决对传统计算机来说太难的问题。当时他并不知道量子计算的概念早已存在，反而独立地再次提出并改进了这一概念。

Freedman持续研究关注这一概念，1997年，拓扑量子计算有了变为现实的机会。他加入了微软理论数学方面的研究团队，与物理学家Kitaev结成了合作小组。

Michael Freedman

2000年，Kitaev提出马约拉纳费米子粒子可以用于量子信息处理，这表明位于量子线两端的马约拉纳费米子可以有效地创建一个受拓扑保护的量子比特。五年后，Freedman等三人共同撰写了一篇论文，提出了一个实验方案：使用“分数量子霍尔”系统（强磁场中的二维电子气体）以及类似的准粒子。

这就是拓扑量子计算的两种实现方式，除了之前说到的马约拉纳费米子，还能通过分数量子霍尔效应实现。目前科学家已经发现有些占据态比如填充因子v=5/2的分数量子霍尔态里面的复合费米子（一种准粒子）同时不遵循费米统计和玻色统计，很可能是非阿贝尔任意子。

有了理论基础，2005年在微软首席研究战略官Craig Mundie的支持下，Freedman在加州圣芭芭拉建立了一个实验室，并开始招募全球最杰出的凝聚态物质和理论物理学家、材料学家、数学家和计算机科学家，一起构建拓扑量子位。

这个实验室叫作StationQ，坐落在加州大学圣芭芭拉分校的校园内。最初几年，StationQ的研究几乎没有实质性进展，直到2012年荷兰代尔夫特理工大学的Leo Kouwenhoven团队发现了一个马约拉纳费米子存在的证据。

现在Kouwenhoven已经是微软的一员。2018年，Kouwenhoven团队在Nature发文，给出了马约拉纳费米子存在的更强有力证据。实验发现，电子在他们的导线中分裂成半体。

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。

构建一个拓扑量子比特

量子信息将被存储在系统中，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位于两端中的任意一端。这些粒子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。

经过十多年的研究，微软宣称将着手量子计算工程样机研发，要把十多年的量子计算机研究付诸于实践，并且豪言，自己的量子计算机能击败Google和IBM的样机。

2022年底，荷兰物理学家、前微软员工Leo Kouwenhoven及同事2017年和2018年在《自然》发表的两篇发现天使粒子的关键论文相继被撤稿，其中2018年的论文明确提出他们发现了天使粒子——马约拉那费米子。被撤稿的原因如出一辙，他们隐藏了关键数据。

前前后后，关于马约拉纳的研究也一直陷于一些争议之中。

其实早在2018年，微软量子计算软件部门负责人Krysta Svore曾表示，他们可以在五年内（到2023年）制造第一台拥有100个拓扑量子比特的量子计算机：具有100个拓扑量子比特的拓扑量子计算机的运算能力，最高可以相当于1000个逻辑量子比特的量子计算机。Krysta Svore同时表示，在花了五年时间搞清楚拓扑量子比特需要的复杂硬件后，微软近乎准备好将它们投入使用。

——今天看来，当初的这一豪情壮志显然没有实现。

参考链接：

[1]https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.107.245423

[2]https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade0850

[3]https://www.newscientist.com/article/2378782-microsoft-says-its-weird-new-particle-could-improve-quantum-computers/

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/xlnrEvOJ5sgB1bw9GZ8dsA

[5]https://list23.com/1512056-in-the-next-ten-years-microsoft-intends-to-construct-a-quantum-supercomputer/

[6]https://phys.org/news/2023-06-microsoft-milestone-reliable-quantum.html