量子比特示意圖

北京時(shí)間4月2日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，微軟前兩日宣布了一項(xiàng)量子計(jì)算機(jī)的新進(jìn)展：他們?cè)谝欢螌?dǎo)線(xiàn)中實(shí)現(xiàn)了“半電子”狀態(tài)。這將對(duì)該公司量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)起到關(guān)鍵作用。

IBM、谷歌和因特爾等大公司、甚至還有幾家初創(chuàng)公司已經(jīng)發(fā)明了多個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)。微軟似乎稍顯落后，連單量子比特計(jì)算機(jī)都尚未問(wèn)世。但微軟正致力于研發(fā)自己獨(dú)特的量子計(jì)算機(jī)，通過(guò)融入艱深復(fù)雜的物理學(xué)知識(shí)來(lái)解決困擾競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的種種挑戰(zhàn)。如果一切按預(yù)期運(yùn)行，這將是一項(xiàng)重大突破。

量子計(jì)算機(jī)利用基礎(chǔ)量子物理原理，完成普通計(jì)算機(jī)難以實(shí)現(xiàn)、或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜運(yùn)算。你也許聽(tīng)過(guò)谷歌的72量子比特計(jì)算機(jī)，但此類(lèi)機(jī)器的精確度其實(shí)難以保證。只要受到輕微擾動(dòng)，或受到外在環(huán)境的能量影響，都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出錯(cuò)。但微軟的“拓?fù)洹绷孔佑?jì)算機(jī)也許能大大降低此類(lèi)噪音干擾。相關(guān)研究人員近年來(lái)已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，并在《自然》期刊上發(fā)表了論文。他們認(rèn)為到今年底便可研發(fā)出有效的量子比特。

“我們的一個(gè)量子比特將比其它噪音更大的量子比特強(qiáng)大一千、甚至一萬(wàn)倍。”微軟量子計(jì)算業(yè)務(wù)發(fā)展部門(mén)主管茱莉·拉弗（Julie Love）指出。

計(jì)算機(jī)憑借比特進(jìn)行運(yùn)算。比特是一種雙狀態(tài)系統(tǒng)，就像硬幣可能正面朝上或反面朝上一樣。量子比特也是如此，只不過(guò)這枚“硬幣”在運(yùn)算過(guò)程中是在一只黑匣子中翻轉(zhuǎn)的。你只能設(shè)置硬幣兩面的初始值，這些值都是a+bi形式的復(fù)雜數(shù)字，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后，便可得出硬幣正面或反面朝上的概率。你只有打開(kāi)黑匣子后才能知道硬幣的值是多少。運(yùn)算需要把幾枚硬幣綁在一起、同時(shí)放入黑匣子中，并讓它們以一種特殊方式進(jìn)行互動(dòng)、使這些初始值在數(shù)學(xué)上相互結(jié)合。最終的計(jì)算結(jié)果取決于所有放入匣中的硬幣，有些正面和反面朝上的組合出現(xiàn)的概率會(huì)更大，有些則完全不可能出現(xiàn)。

這套系統(tǒng)可以有多種用途，如用于高級(jí)化學(xué)模擬或人工智能等。但關(guān)鍵在于，要找到一種獨(dú)特的量子“硬幣正反面”系統(tǒng)，其中兩種狀態(tài)能夠形成疊加態(tài)（即黑匣子），相互糾纏（即把硬幣綁在一起），并相互干涉（硬幣在黑匣子中結(jié)合后會(huì)改變正反面朝上的概率）。并且在這套系統(tǒng)中，就算你晃動(dòng)匣子，硬幣也能繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，或通過(guò)做冗余處理彌補(bǔ)這些干擾。

微軟研究人員認(rèn)為，解決干擾問(wèn)題的關(guān)鍵在于建立一套拓補(bǔ)系統(tǒng)。無(wú)論如何改變這套系統(tǒng)，它總有一些固有性質(zhì)保持不變。這些系統(tǒng)便是所謂的拓補(bǔ)對(duì)象。

研究人員首先需要打造出拓補(bǔ)對(duì)象。微軟專(zhuān)門(mén)制造了一條由銻化銦制成的半導(dǎo)體導(dǎo)線(xiàn)，外面包裹著具有超導(dǎo)性的鋁。然后研究人員將這條導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中冷卻至接近絕對(duì)零度，使其中的電子出現(xiàn)集體行為，迫使部分電性能呈現(xiàn)離散值。

這樣一來(lái)，該系統(tǒng)中的信息便不是儲(chǔ)存在單個(gè)粒子里，而是儲(chǔ)存在整條導(dǎo)線(xiàn)的集體行為中。如果在磁場(chǎng)中操控這條導(dǎo)線(xiàn)，它就會(huì)呈現(xiàn)出類(lèi)似半個(gè)電子的狀態(tài)，或者更準(zhǔn)確地說(shuō)，如同一個(gè)處于“電子”和“非電子”之間狀態(tài)的粒子。這些便是所謂的馬約拉納費(fèi)米子，又稱(chēng)馬約拉納零模。它們受到該系統(tǒng)的集體拓補(bǔ)行為的保護(hù)。你可以讓其中一個(gè)馬約拉納費(fèi)米子繞著導(dǎo)線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，但不會(huì)對(duì)其它費(fèi)米子產(chǎn)生干擾。

這些馬約拉納零模也可形成雙量子比特狀態(tài)。如果把它們放在一起，要么會(huì)變成零，要么會(huì)變成一個(gè)完整的粒子。

這就是在荷蘭代爾夫特理工大學(xué)等大學(xué)的微軟科學(xué)家們近日宣布的最新進(jìn)展。他們?cè)趯?dǎo)線(xiàn)中觀(guān)察到了強(qiáng)有力的證據(jù)，能夠證明這些“半電子”馬約拉納零模的存在。

讀到這里，你可能已經(jīng)暈頭轉(zhuǎn)向了。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是微軟研發(fā)了一套原子系統(tǒng)，它的兩端似乎各有半個(gè)電子。如果你只移動(dòng)其中的一個(gè)“半電子”，整套系統(tǒng)的獨(dú)特配置并不會(huì)受到破壞。而如果將兩個(gè)“半電子”相連，你就會(huì)得到兩種量子狀態(tài)中的一種：有，或者無(wú)。

但要真正實(shí)現(xiàn)量子運(yùn)算，光做到這點(diǎn)是不夠的。“我們需要讓兩個(gè)馬約拉納費(fèi)米子圍繞彼此旋轉(zhuǎn)，并且兩者交換后的結(jié)果應(yīng)當(dāng)遵循非阿貝爾統(tǒng)計(jì)?！本吐氂谖④浐痛鸂柗蛱乩砉ご髮W(xué)的萊奧·庫(kù)文霍萬(wàn)（Leo Kouwenhoven）表示。也就是說(shuō)，我們需要以某種方式真正對(duì)馬約拉納費(fèi)米子進(jìn)行操縱。

不要被“非阿貝爾”這個(gè)詞嚇跑了。它的意思其實(shí)很簡(jiǎn)單：對(duì)馬約拉納費(fèi)米子執(zhí)行兩次不同的運(yùn)算，若改變兩次運(yùn)算的順序，運(yùn)算結(jié)果也會(huì)隨之而變。舉個(gè)例子，如果將你的手機(jī)朝遠(yuǎn)離你的方向翻轉(zhuǎn)一次，然后向右旋轉(zhuǎn)一次，它會(huì)朝向某一個(gè)方向；而如果你先將手機(jī)向右旋轉(zhuǎn)一次，再將其朝遠(yuǎn)離你的方向翻轉(zhuǎn)一次，它就會(huì)朝向另一個(gè)與之前不同的方向。這就是一套非阿貝爾運(yùn)算。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果你以不同方式將兩個(gè)馬約拉納費(fèi)米子彼此交換，就會(huì)取得不同的測(cè)量結(jié)果。

從理論上來(lái)說(shuō)，任何量子計(jì)算都至少需要四個(gè)馬約拉納費(fèi)米子才能完成。假設(shè)四個(gè)馬約拉納費(fèi)米子分別位于字母H的四個(gè)角上，中間由兩根特殊導(dǎo)線(xiàn)相連。假如先將頂端的兩個(gè)馬約拉納費(fèi)米子交換，再將側(cè)邊的兩個(gè)馬約拉納費(fèi)米子交換，測(cè)量結(jié)果將不同于“先進(jìn)行側(cè)邊交換”取得的結(jié)果。

這個(gè)交換的動(dòng)作名為“編結(jié)”（braiding），相當(dāng)于上文中將黑匣子里的硬幣綁在一起。之所以必須遵循非阿貝爾統(tǒng)計(jì)，是因?yàn)槲锢矸▌t默認(rèn)每個(gè)粒子都是完全相同的，因此假如這套系統(tǒng)應(yīng)用的是常規(guī)電子，將它們進(jìn)行交換并不會(huì)保留此前動(dòng)作的任何信息。但這些馬約拉納費(fèi)米子具有非阿貝爾特性，意味著它們能夠保留之前動(dòng)作的“記憶”。這樣一來(lái)，我們就可以把不同的量子比特分辨開(kāi)來(lái)，并利用它們進(jìn)行運(yùn)算。

研究人員尚未在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證編結(jié)過(guò)程。但微軟量子副總裁托德·霍姆達(dá)爾（Todd Holmdahl）此前曾表示，他們預(yù)期在一年之內(nèi)做出這一發(fā)現(xiàn)。

庫(kù)文霍萬(wàn)指出，這些拓補(bǔ)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(tài)的所有可能組合視作球面上的若干點(diǎn)，上述交換運(yùn)算暫時(shí)還無(wú)法覆蓋所有的點(diǎn)。不過(guò)庫(kù)文霍萬(wàn)暗示道：“我們已經(jīng)有了一個(gè)計(jì)劃。”

未參與此次研究的物理學(xué)家也對(duì)此感到興奮不已?！拔艺J(rèn)為這篇論文意義重大。”伊利諾伊大學(xué)香檳分校物理學(xué)副教授史密莎·維西韋希瓦拉（Smitha Vishveshwara）表示。她認(rèn)為“編結(jié)”聽(tīng)上去有些瘋狂，或者說(shuō)離經(jīng)叛道：“很多進(jìn)展還是要落實(shí)到位。但每當(dāng)一項(xiàng)新進(jìn)展得到驗(yàn)證，都十分令人激動(dòng)?！?/p>

她對(duì)物理學(xué)本身的發(fā)展也感到同樣激動(dòng)。“馬約拉納粒子”原本是一種僅存在于理論中的粒子，作為自身的反粒子存在于自由空間中。科學(xué)家尚未在“空白空間”中發(fā)現(xiàn)這種粒子，不過(guò)在此類(lèi)系統(tǒng)中找到它們的“模擬版本”也很有意思。

微軟已經(jīng)投資數(shù)百萬(wàn)美元，希望在經(jīng)過(guò)精密設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)新的物理原理，幫助自己研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)成功運(yùn)行。這在某種程度上解釋了為何微軟尚未研發(fā)出有效的成對(duì)量子比特，盡管該公司同時(shí)還在開(kāi)展硬件研發(fā)，以及面向使用者的、使用編程語(yǔ)言的研發(fā)工具包。

微軟相信，假如一切按計(jì)劃進(jìn)行、并且順利運(yùn)行，他們將擁有全世界最強(qiáng)大的量子比特，很快就能追上其它競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手?！拔覀兊牧孔颖忍乇绕渌痉€(wěn)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(jiān)固的量子比特才行。”