微軟的量子計(jì)算突破終于來(lái)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(fèi)米子（Majorana fermion）存在的有力證據(jù)，他們?cè)谔厥庵苽涞膶?dǎo)線中，將電子分為兩半。這項(xiàng)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(jìn)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(xiàng)量子計(jì)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(fèi)米子（Majorana fermion）存在的相當(dāng)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(tái)能工作的量子計(jì)算機(jī)，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(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)。微軟看起來(lái)是落后的，它甚至沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)一個(gè)量子比特！但是，微軟正在研發(fā)自己的量子計(jì)算機(jī)，它結(jié)合brain-melting的物理機(jī)制，克服了困擾競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的一大挑戰(zhàn)。如果一切順利的話，這將是一個(gè)非常重大的突破。

這是物理學(xué)家用來(lái)發(fā)現(xiàn)Majorana粒子最清晰信號(hào)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(jì)算機(jī)是以量子物理學(xué)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)，即研究微觀粒子的物理學(xué)。量子計(jì)算機(jī)被用于執(zhí)行普通計(jì)算機(jī)很難或不可能完成的計(jì)算。雖然谷歌有報(bào)道過(guò)72量子比特的計(jì)算機(jī)，但這些都是不精確的的量子比特。來(lái)自外部環(huán)境的微小震動(dòng)或能量都可能導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤。但微軟的“拓?fù)洹绷孔佑?jì)算機(jī)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(jìn)展，包括今天發(fā)表在Nature的論文。他們認(rèn)為，將在今年年底前得到可工作的量子比特。

微軟量子計(jì)算業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Julie Love幾周前接受采訪時(shí)說(shuō)：“我們的一個(gè)量子比特將會(huì)有1000個(gè)、甚至10000個(gè)嘈雜的量子比特那樣強(qiáng)大?！?/p>

計(jì)算機(jī)以比特（bits）作為計(jì)算單位，即二進(jìn)制位，例如一枚硬幣，可以是正面，也可以是反面。一個(gè)量子比特（quantum bit），或稱量子位（qubit），也是一樣的，只不過(guò)在計(jì)算過(guò)程中，硬幣是在一個(gè)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(guò)的a+bi這樣形式的復(fù)數(shù)。在操作時(shí)，輸入硬幣是正面或反面的概率。只有打開(kāi)盒子，你才能知道硬幣的值。計(jì)算是通過(guò)將幾個(gè)硬幣同時(shí)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?，F(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(gè)系統(tǒng)可以用于很多事情，例如高級(jí)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(gè)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(shí)，概率發(fā)生變化）。你還必須找到另一個(gè)系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，即使你推動(dòng)（nudge）了盒子，硬幣也仍會(huì)繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，或者找到一種方法構(gòu)建冗余（redundancies），以彌補(bǔ)這種推動(dòng)。

微軟的研究人員認(rèn)為，克服這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵是拓?fù)湎到y(tǒng)（topological system）。這是一個(gè)工程系統(tǒng)，無(wú)論你如何改變它，都會(huì)保留一些固有的特性。這些特性即拓?fù)鋵?duì)象（ topological objects）。

研究人員首先需要構(gòu)建他們的拓?fù)鋵?duì)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(chǎng)中，將這條導(dǎo)線冷卻至接近絕對(duì)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?fù)淞孔颖忍氐氖疽鈭D via：微軟

量子信息將被存儲(chǔ)在這個(gè)系統(tǒng)中，但不是存儲(chǔ)在單個(gè)粒子中，而是存儲(chǔ)在整條導(dǎo)線的集體行為中。在磁場(chǎng)中操縱電線，可能會(huì)使電子的一半，或者更準(zhǔn)確地說(shuō)，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(fèi)米子或馬約拉納費(fèi)零模（Majorana zero-modes），受系統(tǒng)的集體拓?fù)湫袨楸Ｗo(hù)，你可以在電線周圍移動(dòng)一個(gè)，而不會(huì)影響另一個(gè)。

這些馬約拉納零模也構(gòu)成兩個(gè)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(gè)完整的粒子。

這就是今天微軟科學(xué)家所報(bào)道的進(jìn)展：他們觀察到這些馬約拉納零模存在的相當(dāng)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(shuō)，微軟開(kāi)發(fā)了一個(gè)由原子組成的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)看上去在兩端都有一個(gè)電子的一半。當(dāng)你移動(dòng)其中一個(gè)電子半體時(shí)，他們的特殊設(shè)置不會(huì)因?yàn)榱孔釉胍舳鴫牡簟０堰@兩個(gè)電子半體放在一起，你就會(huì)得到兩個(gè)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(gè)不太靜態(tài)的系統(tǒng)。要實(shí)際進(jìn)行量子計(jì)算還有更多的事情要做。 “我們需要讓兩個(gè)馬約拉納子在彼此附近移動(dòng)，這樣交換所產(chǎn)生的效果應(yīng)該顯示非阿貝爾統(tǒng)計(jì)，”微軟和代爾夫特理工大學(xué)研究員Leo Kouwenhoven接受Gizmodo采訪時(shí)說(shuō)（譯注：非阿貝爾任意子由于其特殊的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，在拓?fù)淞孔佑?jì)算中有重要的應(yīng)用）。

我們需要以某種方式實(shí)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(gè)比方，如果你把手機(jī)往左轉(zhuǎn)，再往右轉(zhuǎn)，會(huì)得到一種結(jié)果；但是，如果你把手機(jī)先往右轉(zhuǎn)，再往左轉(zhuǎn)，就會(huì)得到另一種結(jié)果。這就是一組非阿貝爾行動(dòng)。簡(jiǎn)單說(shuō)，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(cè)量結(jié)果。

從技術(shù)上講，至少需要這樣4個(gè)馬約拉納粒子來(lái)做量子計(jì)算。假設(shè)所有4個(gè)粒子都安排在“H”的四個(gè)角落，中間由兩條特殊的導(dǎo)線相連。先交換上面兩個(gè)馬約拉納粒子，然后交換下面兩個(gè)，測(cè)量到的結(jié)果會(huì)跟先交換下面兩個(gè)再交換上面兩個(gè)不同。

這種交換動(dòng)作稱為編織（braiding）?；旧暇褪巧厦嬲劦降模诤谙蛔又欣壴谝黄鸬挠矌?。它必須是非阿貝爾的原因，是物理定律規(guī)定，每個(gè)粒子都是完全一樣的。所以，用普通的電子建立這個(gè)系統(tǒng)并交換它們，不會(huì)留下關(guān)于以前發(fā)生的事情的任何知識(shí)。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(jì)算它們。

拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)（Topological Quantum Computer）的優(yōu)勢(shì)在于，它對(duì)外在噪聲的抵抗力比普通的量子計(jì)算機(jī)更強(qiáng)，更具魯棒性。最近幾年，隨著‘拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)’概念的出現(xiàn)，馬約拉納費(fèi)米子受到了廣泛的關(guān)注。

研究人員尚未通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)這一發(fā)現(xiàn)。

Kouwenhoven說(shuō)，重要的是要注意，這些拓?fù)淞孔颖忍剡€不能完成其他量子比特能夠做的所有事情。如果把兩個(gè)量子態(tài)所有可能的組合，看做一個(gè)球體上的點(diǎn)，這些交換操作不能擊中球面上的每個(gè)點(diǎn)。但是，Kouwenhoven暗示，“我們有一個(gè)計(jì)劃?！?/p>

沒(méi)有參與研究的物理學(xué)家們對(duì)此感到興奮，原因有幾個(gè)。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(shuō)：“我認(rèn)為這篇論文很重要。”她認(rèn)為要做到編織（braid）還需要一定時(shí)間：“許多步驟仍然必須落實(shí)到位。但每當(dāng)確認(rèn)新的一步時(shí)，我都覺(jué)得這很刺激。”

她對(duì)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(méi)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(wàn)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(jì)算機(jī)發(fā)揮作用。這也從某種意義上說(shuō)明，為什么微軟還沒(méi)有做出來(lái)相互作用的量子比特，但一直在開(kāi)發(fā)量子硬件，以及量子計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)套件的工作。

微軟有信心，如果它能夠把所有東西都運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，它將擁有最好的能力，并且能夠快速趕上競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。 “我們有一個(gè)穩(wěn)定的量子比特，比其他人的更穩(wěn)定，”Love說(shuō)。 “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?！?/p>

相關(guān)研究發(fā)表在最新一期Nature雜志。

值得一提，這項(xiàng)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(jī)構(gòu)是馬里蘭大學(xué)。