微軟量子團隊報以厚望的「馬約拉納費米子」研究竟然是錯誤的！這篇 2018 年發表在 Nature 上的文章遭到了質疑。

2018 年 3 月，荷蘭物理學家、微軟員工 Leo Kouwenhoven 等人發表論文，稱觀察到了難以發現的粒子——馬約拉納費米子（Majorana fermion）。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/nature26142

馬約拉納費米子是一種費米子，它的反粒子就是它本身。1937 年，意大利物理學家埃托雷 · 馬約拉納發表論文假想這種粒子存在，因此而命名。許多科學家認為這種粒子是解決量子比特不穩定性的優質方案之一，并有望應用于拓撲量子計算機。

微軟希望借助馬約拉納費米子構建量子計算機，當時 IBM 和谷歌已經利用更成熟的技術構建了不錯的原型，Kouwenhoven 的這一發現使得微軟有希望迎頭趕上。微軟量子計算業務開發負責人 Julie Love 曾表示，微軟將「在五年內」構建商業化量子計算機。

然而三年過去，微軟 2018 年的發現卻被證明失敗了。一月末，Kouwenhoven 和 21 位共同作者發表了一篇新論文，該論文納入了更多實驗數據。結論是，他們最終沒有發現馬約拉納費米子。作者在附注中表示，此前發表在 Nature 上的文章將以「技術錯誤」為由撤回。

該領域兩位物理學家表示，他們對該研究提出質疑后，Kouwenhoven 組提供的額外數據表明該團隊移除了不符合其結論的數據點。匹茲堡大學教授 Sergey Frolov 表示，「我不知道他們在想什么，但他們跳過了一些與該論文觀點相矛盾的數據。從更完整數據來看，毫無疑問他們沒有找到馬約拉納費米子。」

相比于 Kouwenhoven2012 年的研究，這篇 2018 年的論文稱發現了更堅實的證據表明馬約拉納費米子是存在的。這篇論文為 Kouwenhoven 及其在代爾夫特理工大學的實驗室贏得了巨大聲譽。該研究項目受到微軟公司的部分資助，2016 年微軟聘請 Kouwenhoven 研究馬約拉納費米子。

2018 年的這篇論文稱，在通過極低溫半導體線的電流中看到了馬約拉納費米子的存在信號——「零偏峰」（zero-bias peak）。

Frolov 表示，他在未公開數據中看到了很多問題，包括偏離主線但被論文忽略的數據點。如果納入這些數據點，則結論完全不同——馬約拉納費米子并未出現。Frolov 的這一觀察在 Kouwenhoven 上個月發布的新論文中有所提及，但并未解釋之前刪除這些數據點的原因。他們承認，試圖通過實驗驗證特定的理論預測「有可能帶來確認偏誤，得到假陽性的證據」。

Sergey Frolov 發推質疑這項研究，詳情參見 https://twitter.com/spinespresso。

Kouwenhoven 在一份聲明中未作回應，因為重新解釋其研究發現的新論文尚在同行評審階段。他表示：「我們相信，規模化量子計算將有助于解決人類面臨的一些巨大挑戰，我們仍將繼續投入量子計算領域。」

去年三月，Nature 為這篇 2018 年論文添加了「編輯關切聲明」，不久前 Nature 發言人稱「正與作者一道解決問題」。代爾夫特理工大學發言人表示，2020 年 5 月起該校科研誠信委員會已展開調查，目前尚未結束。一名熟悉流程的人士表示，最終調查報告可能是，代爾夫特理工大學科研人員犯了錯誤，但并非故意誤導。

不管怎樣，這一問題對微軟的量子計算雄心帶來了一定程度的挫敗。頂尖的計算公司稱，馬約拉納費米子技術將帶來新的科學與工程突破，從而定義未來。

量子比特是量子計算機的基本信息單元。谷歌、IBM 和英特爾都已經展示了包含約 50 個量子比特的原型量子處理器，高盛和默克等公司也在測試這項技術。但是，有用的量子計算系統可能需要數千甚至數百萬的量子比特。量子計算機的很大一部分能力可能必須專門用于糾正自身的故障。

微軟則采取了一種截然不同的方法，聲稱基于馬約拉納粒子（Majorana particle）的量子比特具有更強的擴展性，從而實現飛躍式進步。然而，十多年過去了，一個此類量子比特也沒有構建成功。

微軟與馬約拉納費米子的「歷史淵源」

馬約拉納費米子以意大利物理學家埃托雷 · 馬約拉納（Ettore Majorana）命名，他在 1937 年假設粒子應該以它們自身反粒子的奇特性質而存在。然而，直到 21 世紀，Kouwenhoven 實驗室才發現了馬約拉納粒子。

埃托雷 · 馬約拉納。

2004 年，微軟研究人員找到公司技術戰略主管 Craig Mundie，表示他們有辦法解決阻礙量子計算機發展的一個難題，即量子比特的不穩定性。自此，微軟開始對馬約拉納費米子產生興趣。

研究人員利用理論物理論文，提出了一種構建更可靠、穩定量子比特的方法。這些所謂的拓撲量子比特基于不尋常的粒子構建，其中包括馬約拉納粒子，這些粒子可以在極低的溫度下以電子簇的形式存在于材料內部。

之后，微軟組建了一支由物理學家和數學家組成的新團隊，旨在充實拓撲量子計算的理論與實踐。該團隊與頂級實驗物理學家合作，并資助他們尋找構建這種新型量子比特所需的粒子。

Kouwenhoven 就是獲得資助的物理學家之一。他 2012 年發表在 Science 上的一篇論文《Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices》提出了納米線內馬約拉納粒子的「特性」。2016 年，微軟更是加大了投資和宣傳力度。

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/336/6084/1003

Kouwenhoven 和哥本哈根大學的頂級物理學家 Charles Marcus 被聘任為馬約拉納粒子的「操盤手」（hunter）。他們計劃首先檢測這些粒子，然后發明更復雜的裝置來控制它們，并使其發揮量子比特的作用。此前領導微軟 Xbox 游戲硬件的 Todd Holmdahl 成為拓撲量子計算機項目的負責人。2018 年初，他對《巴倫周刊》表示，微軟將于年底實現拓撲量子比特。一個月后，這篇如今備受爭議的論文發表了。

微軟與谷歌截然不同的量子計算發展之路

然而，當微軟熱衷于尋找馬約拉納粒子時，它的競爭對手們已經在現有量子比特技術的基礎上穩步前進。2019 年，谷歌宣布實現量子優越性（quantum supremacy），開發了一個 54 量子比特的計算機——「Sycamore」，它可以在 200 秒內完成世界上最快超級計算機 1 萬年才能完成的目標計算。

之后不久，微軟似乎想要對沖量子計算賭注，宣布通過云服務 Azure 提供其他公司的量子硬件訪問權限。之后，據《華爾街日報》報道，Todd Holmdahl 在錯過了內部 deadline 之后離開了拓撲量子計算機項目。

谷歌 CEO 桑達爾 · 皮查伊和圣芭芭拉實驗室中谷歌的量子計算機。

自 Holmdahl 離職以來，微軟一直對量子硬件的預期進展保持沉默。量子計算領域的各家競爭公司繼續吹捧硬件的進步，并敦促軟件開發人員通過互聯網訪問實驗室里的原型機。但遺憾的是，似乎沒有一家公司可以在黃金時間內制造出一臺可用的量子計算機。

發現馬約拉納費米子還需 30 年？

Sergey Frolov 表示，圍繞 Kouwenhoven 2018 年論文的問題導致一小領域致力于探測馬約拉納粒子的物理學家非常受傷。他認為，良好的科學依據可以產生合理的期望，而不是神奇的期望。此外，他認為，Kouwenhoven 團隊應公布完整的原始實驗數據，以供外界審查。

Frolov 與澳大利亞新南威爾士大學高級研究員 Vincent Mourik 共同對 Kouwenhoven 提供的額外數據進行了研究，并且 Vincent Mourik 也表示了同樣的擔憂。這兩人都曾是 Kouwenhoven 的同事，并參與了 2012 年關于馬約拉納粒子的研究論文。

曾與微軟研究人員合作過的馬里蘭大學理論物理學家 Sankar Das Sarma 認為這項技術最終會成功，但還需要一段時間。

Das Sarma 表示，過去幾年發展的新理論表明，2018 年使用的方法無論如何都不能確定馬約拉納粒子的存在，更純的材料、更復雜的實驗以及更多的科學進步都是必須的。

微軟的量子比特離這個目標還有多遠目前還不清楚。Das Sarma 表示道，基于馬約拉納粒子的量子計算可能處于與 1926 年第一個晶體管申請專利相似的階段。直到 1947 年，研究人員才制造出第一臺可工作的晶體管；20 世紀 50 年代末，使計算機工業得以發展的微型硅版本才被開發出來。

「我看不出為什么馬約拉納費米子不能存在，或者存在卻無法控制。但發現它或控制它可能需要 30 年時間。」Das Sarma 表示。