量子計算機研發突破，微軟實現“半電子態”準粒子

科技日報消息：

微軟近日宣布了一項量子計算機的新進展：他們在一段導線中實現了“半電子”狀態。這將對該公司量子計算機的研發起到關鍵作用。

IBM、穀歌和英特爾等大公司、甚至還有幾家初創公司已經發明了多個量子比特的量子計算機。微軟似乎稍顯落後，連單量子比特計算機都尚未問世。但微軟正致力於研發自己獨特的量子計算機，通過融入艱深複雜的物理學知識來解決困擾競爭對手的種種挑戰。如果一切按預期運行，這將是一項重大突破。

量子計算機利用基礎量子物理原理，完成普通計算機難以實現、或無法實現的複雜運算。你也許聽過穀歌的72量子比特計算機，但此類機器的精確度其實難以保證。隻要受到輕微擾動，或受到外在環境的能量影響，都會導致計算出錯。但微軟的“拓撲”量子計算機也許能大大降低此類噪音幹擾。相關研究人員近年來已經取得了一定進展，並在《自然》期刊上發表了論文。他們認為到今年底便可研發出有效的量子比特。

“我們的一個量子比特將比其它噪音更大的量子比特強大一千、甚至一萬倍。”微軟量子計算業務發展部門主管茱莉·拉弗（Julie Love）指出。

計算機憑借比特進行運算。比特是一種雙狀態係統，就像硬幣可能正麵朝上或反麵朝上一樣。量子比特也是如此，隻不過這枚“硬幣”在運算過程中是在一隻黑匣子中翻轉的。你隻能設置硬幣兩麵的初始值，這些值都是a+bi形式的複雜數字，經過運算後，便可得出硬幣正麵或反麵朝上的概率。你隻有打開黑匣子後才能知道硬幣的值是多少。運算需要把幾枚硬幣綁在一起、同時放入黑匣子中，並讓它們以一種特殊方式進行互動、使這些初始值在數學上相互結合。最終的計算結果取決於所有放入匣中的硬幣，有些正麵和反麵朝上的組合出現的概率會更大，有些則完全不可能出現。

這套係統可以有多種用途，如用於高級化學模擬或人工智能等。但關鍵在於，要找到一種獨特的量子“硬幣正反麵”係統，其中兩種狀態能夠形成疊加態（即黑匣子），相互糾纏（即把硬幣綁在一起），並相互幹涉（硬幣在黑匣子中結合後會改變正反麵朝上的概率）。並且在這套係統中，就算你晃動匣子，硬幣也能繼續翻轉，或通過做冗餘處理彌補這些幹擾。

微軟研究人員認為，解決幹擾問題的關鍵在於建立一套拓補係統。無論如何改變這套係統，它總有一些固有性質保持不變。這些係統便是所謂的拓補對象。

研究人員首先需要打造出拓補對象。微軟專門製造了一條由銻化銦製成的半導體導線，外麵包裹著具有超導性的鋁。然後研究人員將這條導線在磁場中冷卻至接近絕對零度，使其中的電子出現集體行為，迫使部分電性能呈現離散值。

這樣一來，該係統中的信息便不是儲存在單個粒子裏，而是儲存在整條導線的集體行為中。如果在磁場中操控這條導線，它就會呈現出類似半個電子的狀態，或者更準確地說，如同一個處於“電子”和“非電子”之間狀態的粒子。這些便是所謂的馬約拉納費米子，又稱馬約拉納零模。它們受到該係統的集體拓補行為的保護。你可以讓其中一個馬約拉納費米子繞著導線旋轉，但不會對其它費米子產生幹擾。

這些馬約拉納零模也可形成雙量子比特狀態。如果把它們放在一起，要麼會變成零，要麼會變成一個完整的粒子。

這就是在荷蘭代爾夫特理工大學等大學的微軟科學家們近日宣布的最新進展。他們在導線中觀察到了強有力的證據，能夠證明這些“半電子”馬約拉納零模的存在。

讀到這裏，你可能已經暈頭轉向了。簡單來說，就是微軟研發了一套原子係統，它的兩端似乎各有半個電子。如果你隻移動其中的一個“半電子”，整套係統的獨特配置並不會受到破壞。而如果將兩個“半電子”相連，你就會得到兩種量子狀態中的一種：有，或者無。

但要真正實現量子運算，光做到這點是不夠的。“我們需要讓兩個馬約拉納費米子圍繞彼此旋轉，並且兩者交換後的結果應當遵循非阿貝爾統計。”就職於微軟和代爾夫特理工大學的萊奧·庫文霍萬（Leo Kouwenhoven）表示。也就是說，我們需要以某種方式真正對馬約拉納費米子進行操縱。

不要被“非阿貝爾”這個詞嚇跑了。它的意思其實很簡單：對馬約拉納費米子執行兩次不同的運算，若改變兩次運算的順序，運算結果也會隨之而變。舉個例子，如果將你的手機朝遠離你的方向翻轉一次，然後向右旋轉一次，它會朝向某一個方向；而如果你先將手機向右旋轉一次，再將其朝遠離你的方向翻轉一次，它就會朝向另一個與之前不同的方向。這就是一套非阿貝爾運算。簡單來說，如果你以不同方式將兩個馬約拉納費米子彼此交換，就會取得不同的測量結果。

從理論上來說，任何量子計算都至少需要四個馬約拉納費米子才能完成。假設四個馬約拉納費米子分別位於字母H的四個角上，中間由兩根特殊導線相連。假如先將頂端的兩個馬約拉納費米子交換，再將側邊的兩個馬約拉納費米子交換，測量結果將不同於“先進行側邊交換”取得的結果。

這個交換的動作名為“編結”（braiding），相當於上文中將黑匣子裏的硬幣綁在一起。之所以必須遵循非阿貝爾統計，是因為物理法則默認每個粒子都是完全相同的，因此假如這套係統應用的是常規電子，將它們進行交換並不會保留此前動作的任何信息。但這些馬約拉納費米子具有非阿貝爾特性，意味著它們能夠保留之前動作的“記憶”。這樣一來，我們就可以把不同的量子比特分辨開來，並利用它們進行運算。

研究人員尚未在實驗中驗證編結過程。但微軟量子副總裁托德·霍姆達爾（Todd Holmdahl）此前曾表示，他們預期在一年之內做出這一發現。

庫文霍萬指出，這些拓補量子比特目前還不具備其它量子比特的全部功能。假如把兩種量子狀態的所有可能組合視作球麵上的若幹點，上述交換運算暫時還無法覆蓋所有的點。不過庫文霍萬暗示道：“我們已經有了一個計劃。”

未參與此次研究的物理學家也對此感到興奮不已。“我認為這篇論文意義重大。”伊利諾伊大學香檳分校物理學副教授史密莎·維西韋希瓦拉（Smitha Vishveshwara）表示。她認為“編結”聽上去有些瘋狂，或者說離經叛道：“很多進展還是要落實到位。但每當一項新進展得到驗證，都十分令人激動。”

她對物理學本身的發展也感到同樣激動。“馬約拉納粒子”原本是一種僅存在於理論中的粒子，作為自身的反粒子存在於自由空間中。科學家尚未在“空白空間”中發現這種粒子，不過在此類係統中找到它們的“模擬版本”也很有意思。

微軟已經投資數百萬美元，希望在經過精密設計的係統中發現新的物理原理，幫助自己研發的量子計算機成功運行。這在某種程度上解釋了為何微軟尚未研發出有效的成對量子比特，盡管該公司同時還在開展硬件研發，以及麵向使用者的、使用編程語言的研發工具包。

微軟相信，假如一切按計劃進行、並且順利運行，他們將擁有全世界最強大的量子比特，很快就能追上其它競爭對手。“我們的量子比特比其它公司穩定得多，”茱莉·拉弗指出，“如果要建房子，磚塊就足夠了；但要搭建摩天大樓，就得用我們鋼鐵般堅固的量子比特才行。”