微軟的量子計算突破終于來了！研究人員今天在Nature發(fā)文，給出他們發(fā)現(xiàn)天使粒子——馬約拉納費米子（Majorana fermion）存在的有力證據(jù)，他們在特殊制備的導(dǎo)線中，將電子分為兩半。這項工作意義重大，至少在人工制備/調(diào)控、操縱量子態(tài)領(lǐng)域取得了巨大進展，有助于量子信息科學(xué)發(fā)展和應(yīng)用。

就在剛剛，微軟宣布了一項量子計算的重大突破：在一條導(dǎo)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(jù)，電子在他們的導(dǎo)線中分裂成半體。

如果微軟希望建造一臺能工作的量子計算機，這將是至關(guān)重要的。

IBM、谷歌、英特爾等大公司（甚至還有一些初創(chuàng)公司）已經(jīng)造出具有多個量子比特的量子計算機。微軟看起來是落后的，它甚至沒有產(chǎn)生過一個量子比特！但是，微軟正在研發(fā)自己的量子計算機，它結(jié)合brain-melting的物理機制，克服了困擾競爭對手的一大挑戰(zhàn)。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(xué)家用來發(fā)現(xiàn)Majorana粒子最清晰信號的裝置。中間的灰線是納米線，綠色區(qū)域是超導(dǎo)鋁條。Credit: Hao Zhang/QuTech

量子計算機是以量子物理學(xué)為基礎(chǔ)的計算機，即研究微觀粒子的物理學(xué)。量子計算機被用于執(zhí)行普通計算機很難或不可能完成的計算。雖然谷歌有報道過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(huán)境的微小震動或能量都可能導(dǎo)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系列重要進展，包括今天發(fā)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(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)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，即二進制位，例如一枚硬幣，可以是正面，也可以是反面。一個量子比特（quantum bit），或稱量子位（qubit），也是一樣的，只不過在計算過程中，硬幣是在一個黑盒子里翻轉(zhuǎn)。你可以在硬幣的每一面設(shè)置一些初始值，例如高中學(xué)過的a+bi這樣形式的復(fù)數(shù)。在操作時，輸入硬幣是正面或反面的概率。只有打開盒子，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，并以某種方式讓它們相互作用，以讓上面的初始值發(fā)生數(shù)學(xué)上的交互。現(xiàn)在，輸出就跟所有的硬幣相關(guān)，使得某些正面和反面的組合的概率更大，其他組合的概率更小。

這個系統(tǒng)可以用于很多事情，例如高級化學(xué)模擬、人工智能等。但關(guān)鍵是找到一種量子的“正面和反面”系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中，兩種狀態(tài)可以形成疊加（黑盒子）、糾纏（將硬幣捆綁在一起）和干擾（硬幣在盒子中糾纏時，概率發(fā)生變化）。你還必須找到另一個系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中，即使你推動（nudge）了盒子，硬幣也仍會繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，或者找到一種方法構(gòu)建冗余（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(guān)鍵是拓撲系統(tǒng)（topological system）。這是一個工程系統(tǒng)，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(gòu)建他們的拓撲對象。微軟專門制造了一條由銻化銦制成的半導(dǎo)體導(dǎo)線，并用超導(dǎo)鋁包裹。在磁場中，將這條導(dǎo)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(xiàn)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系統(tǒng)中，但不是存儲在單個粒子中，而是存儲在整條導(dǎo)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，位于兩端中的任意一端。這些所謂的馬約拉納費米子或馬約拉納費零模（Majorana zero-modes），受系統(tǒng)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(gòu)成兩個量子比特狀態(tài)。如果你把它們放在一起，它們要么變成零，要么變成一個完整的粒子。

這就是今天微軟科學(xué)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(jù)，電子在他們的導(dǎo)線中分裂成半體。

本質(zhì)上說，微軟開發(fā)了一個由原子組成的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)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(shè)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(tài)之一：是，或者什么都不是。

但是，這只是創(chuàng)建了一個不太靜態(tài)的系統(tǒng)。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(chǎn)生的效果應(yīng)該顯示非阿貝爾統(tǒng)計，”微軟和代爾夫特理工大學(xué)研究員Leo Kouwenhoven接受Gizmodo采訪時說（譯注：非阿貝爾任意子由于其特殊的統(tǒng)計規(guī)律，在拓撲量子計算中有重要的應(yīng)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(zhí)行兩種不同的操作，改變操作的順序，將返回不同的結(jié)果。打個比方，如果你把手機往左轉(zhuǎn)，再往右轉(zhuǎn)，會得到一種結(jié)果；但是，如果你把手機先往右轉(zhuǎn)，再往左轉(zhuǎn)，就會得到另一種結(jié)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(jié)果。

從技術(shù)上講，至少需要這樣4個馬約拉納粒子來做量子計算。假設(shè)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(dǎo)線相連。先交換上面兩個馬約拉納粒子，然后交換下面兩個，測量到的結(jié)果會跟先交換下面兩個再交換上面兩個不同。

這種交換動作稱為編織（braiding）。基本上就是上面談到的，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(guī)定，每個粒子都是完全一樣的。所以，用普通的電子建立這個系統(tǒng)并交換它們，不會留下關(guān)于以前發(fā)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(fā)生的事情的記憶，這可以讓研究人員分辨量子比特，并且計算它們。

拓撲量子計算機（Topological Quantum Computer）的優(yōu)勢在于，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(xiàn)，馬約拉納費米子受到了廣泛的關(guān)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(nèi)實現(xiàn)這一發(fā)現(xiàn)。

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(tài)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面上的每個點。但是，Kouwenhoven暗示，“我們有一個計劃。”

沒有參與研究的物理學(xué)家們對此感到興奮，原因有幾個。伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校物理系副教授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于自由空間中。目前在自由空間中還沒有發(fā)現(xiàn)馬約拉納粒子，但在像這樣的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)他們的模擬是很酷的。

毋庸置疑，微軟已經(jīng)投入數(shù)百萬美元用于發(fā)現(xiàn)高度工程化系統(tǒng)中的新物理，以便讓量子計算機發(fā)揮作用。這也從某種意義上說明，為什么微軟還沒有做出來相互作用的量子比特，但一直在開發(fā)量子硬件，以及量子計算機軟件開發(fā)套件的工作。

微軟有信心，如果它能夠把所有東西都運轉(zhuǎn)起來，它將擁有最好的能力，并且能夠快速趕上競爭對手。 “我們有一個穩(wěn)定的量子比特，比其他人的更穩(wěn)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(guān)研究發(fā)表在最新一期Nature雜志。

值得一提，這項工作的三位聯(lián)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(yè)于北京大學(xué)物理系，在杜克大學(xué)取得博士學(xué)位，現(xiàn)在TUDelft做博士后。Chun-Xiao Liu也是華人，所屬機構(gòu)是馬里蘭大學(xué)。