【重磅】微軟量子計算重大突破：量子係統或存在天使粒子

就在剛剛，微軟宣布了一項量子計算的重大突破：在一條導線中，電子分為兩半。

微軟的研究人員觀察到被稱為 “天使粒子” 的馬約拉納費米子（Majorana fermion）存在的相當有力的證據，電子在他們的導線中分裂成半體。

如果微軟希望建造一台能工作的量子計算機，這將是至關重要的。

IBM、穀歌、英特爾等大公司（甚至還有一些初創公司）已經造出具有多個量子比特的量子計算機。微軟看起來是落後的，它甚至沒有產生過一個量子比特！但是，微軟正在研發自己的量子計算機，它結合 brain-melting 的物理機製，克服了困擾競爭對手的一大挑戰。如果一切順利的話，這將是一個非常重大的突破。

這是物理學家用來發現 Majorana 粒子最清晰信號的裝置。中間的灰線是納米線，綠色區域是超導鋁條。Credit: Hao Zhang/QuTech

一個穩定的量子比特將會有 1000 個、甚至 10000 個嘈雜的量子比特那樣強大

量子計算機是以量子物理學為基礎的計算機，即研究微觀粒子的物理學。量子計算機被用於執行普通計算機很難或不可能完成的計算。雖然穀歌有報道過 72 量子比特的計算機，但這些都是不精確的的量子比特。來自外部環境的微小震動或能量都可能導致計算錯誤。但微軟的 “拓撲” 量子計算機可能能夠大大降低噪音。微軟的研究人員今年取得了一係列重要進展，包括今天發表在 Nature 的論文。他們認為，將在今年年底前得到可工作的量子比特。

微軟量子計算業務發展總監 Julie Love 幾周前接受采訪時說：“我們的一個量子比特將會有 1000 個、甚至 10000 個嘈雜的量子比特那樣強大。”

計算機以比特（bits）作為計算單位，即二進製位，例如一枚硬幣，可以是正麵，也可以是反麵。一個量子比特（quantum bit），或稱量子位（qubit），也是一樣的，隻不過在計算過程中，硬幣是在一個黑盒子裏翻轉。你可以在硬幣的每一麵設置一些初始值，例如高中學過的 a+bi 這樣形式的複數。在操作時，輸入硬幣是正麵或反麵的概率。隻有打開盒子，你才能知道硬幣的值。計算是通過將幾個硬幣同時放在盒子中，並以某種方式讓它們相互作用，以讓上麵的初始值發生數學上的交互。現在，輸出就跟所有的硬幣相關，使得某些正麵和反麵的組合的概率更大，其他組合的概率更小。

這個係統可以用於很多事情，例如高級化學模擬、人工智能等。但關鍵是找到一種量子的 “正麵和反麵” 係統，在這個係統中，兩種狀態可以形成疊加（黑盒子）、糾纏（將硬幣捆綁在一起）和幹擾（硬幣在盒子中糾纏時，概率發生變化）。你還必須找到另一個係統，在這個係統中，即使你推動（nudge）了盒子，硬幣也仍會繼續翻轉，或者找到一種方法構建冗餘（redundancies），以彌補這種推動。

微軟的研究人員認為，克服這個問題的關鍵是拓撲係統（topological system）。這是一個工程係統，無論你如何改變它，都會保留一些固有的特性。這些特性即拓撲對象（ topological objects）。

研究人員首先需要構建他們的拓撲對象。微軟專門製造了一條由銻化銦製成的半導體導線，並用超導鋁包裹。在磁場中，將這條導線冷卻至接近絕對零度，使電子形成一種集體行為，該行為迫使某些電子特性呈現離散值。

拓撲量子比特的示意圖 via：微軟

量子信息將被存儲在這個係統中，但不是存儲在單個粒子中，而是存儲在整條導線的集體行為中。在磁場中操縱電線，可能會使電子的一半，或者更準確地說，是一半要成為電子但還不是電子的粒子，位於兩端中的任意一端。這些所謂的馬約拉納費米子或馬約拉納費零模（Majorana zero-modes），受係統的集體拓撲行為保護，你可以在電線周圍移動一個，而不會影響另一個。

這些馬約拉納零模也構成兩個量子比特狀態。如果你把它們放在一起，它們要麼變成零，要麼變成一個完整的粒子。

這就是今天微軟科學家所報道的進展：他們觀察到這些馬約拉納零模存在的相當有力的證據，電子在他們的導線中分裂成半體。

本質上說，微軟開發了一個由原子組成的係統，這個係統看上去在兩端都有一個電子的一半。當你移動其中一個電子半體時，他們的特殊設置不會因為量子噪音而壞掉。把這兩個電子半體放在一起，你就會得到兩個量子比特狀態之一：是，或者什麼都不是。

但是，這隻是創建了一個不太靜態的係統。要實際進行量子計算還有更多的事情要做。 “我們需要讓兩個馬約拉納子在彼此附近移動，這樣交換所產生的效果應該顯示非阿貝爾統計，” 微軟和代爾夫特理工大學研究員 Leo Kouwenhoven 接受 Gizmodo 采訪時說（譯注：非阿貝爾任意子由於其特殊的統計規律，在拓撲量子計算中有重要的應用）。

我們需要以某種方式實際操縱馬約拉納粒子。

所謂 “非阿貝爾”，意思就是如果你在馬約拉納粒子上執行兩種不同的操作，改變操作的順序，將返回不同的結果。打個比方，如果你把手機往左轉，再往右轉，會得到一種結果；但是，如果你把手機先往右轉，再往左轉，就會得到另一種結果。這就是一組非阿貝爾行動。簡單說，如果你用不同的方式交換馬約拉納粒子，你可以得到不同的測量結果。

從技術上講，至少需要這樣 4 個馬約拉納粒子來做量子計算。假設所有 4 個粒子都安排在 “H” 的四個角落，中間由兩條特殊的導線相連。先交換上麵兩個馬約拉納粒子，然後交換下麵兩個，測量到的結果會跟先交換下麵兩個再交換上麵兩個不同。

這種交換動作稱為編織（braiding）。基本上就是上麵談到的，在黑匣子中捆綁在一起的硬幣。它必須是非阿貝爾的原因，是物理定律規定，每個粒子都是完全一樣的。所以，用普通的電子建立這個係統並交換它們，不會留下關於以前發生的事情的任何知識。但是，用這些馬約拉納粒子的非阿貝爾性，意味著它們保留了之前發生的事情的記憶，這可以讓研究人員分辨量子比特，並且計算它們。

拓撲量子計算機（Topological Quantum Computer）的優勢在於，它對外在噪聲的抵抗力比普通的量子計算機更強，更具魯棒性。最近幾年，隨著‘拓撲量子計算機’概念的出現，馬約拉納費米子受到了廣泛的關注。

研究人員尚未通過實驗展示編織，但微軟量子研究公司副總裁 Todd Holmdahl 表示，他們希望在一年內實現這一發現。

Kouwenhoven 說，重要的是要注意，這些拓撲量子比特還不能完成其他量子比特能夠做的所有事情。如果把兩個量子態所有可能的組合，看做一個球體上的點，這些交換操作不能擊中球麵上的每個點。但是，Kouwenhoven 暗示，“我們有一個計劃。”

沒有參與研究的物理學家們對此感到興奮，原因有幾個。伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校物理係副教授 Smitha Vishveshwara 告訴 Gizmodo 說：“我認為這篇論文很重要。” 她認為要做到編織（braid）還需要一定時間：“許多步驟仍然必須落實到位。但每當確認新的一步時，我都覺得這很刺激。”

她對物理本身同樣興奮。這些 “馬約拉納粒子” 最初被推定為以自身反粒子的形式存在於自由空間中。目前在自由空間中還沒有發現馬約拉納粒子，但在像這樣的係統中發現他們的模擬是很酷的。

毋庸置疑，微軟已經投入數百萬美元用於發現高度工程化係統中的新物理，以便讓量子計算機發揮作用。這也從某種意義上說明，為什麼微軟還沒有做出來相互作用的量子比特，但一直在開發量子硬件，以及量子計算機軟件開發套件的工作。

微軟有信心，如果它能夠把所有東西都運轉起來，它將擁有最好的能力，並且能夠快速趕上競爭對手。 “我們有一個穩定的量子比特，比其他人的更穩定，”Love 說。 “你可以用磚塊建造一座房子，但磚是造不出摩天大樓的，我們的量子就像鋼鐵一樣，能建立起高樓大廈。“

相關研究發表在最新一期 Nature 雜誌。

值得一提，這項工作的三位聯合一作，兩位是華人，分別是張浩、Chun-Xiao Liu 和 Sasa Gazibegovic。其中，張浩（下圖）本科畢業於北京大學物理係，在杜克大學取得博士學位，現在 TUDelft 做博士後。Chun-Xiao Liu 也是華人，所屬機構是馬裏蘭大學。

張浩（TU Delft）