編者按：量子計(jì)算有望幫助我們解決人類所面臨的一些最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。然而，在這個(gè)新生領(lǐng)域，我們?nèi)蕴幱诎l(fā)展的早期階段。目前，在量子計(jì)算機(jī)的幫助下，研究人員已經(jīng)能夠開展一些有趣的研究項(xiàng)目，但他們?nèi)匀皇苤朴谙到y(tǒng)規(guī)模的不足，無(wú)法開展更多研究。現(xiàn)有的量子計(jì)算機(jī)所依賴的量子比特有很多類型，但迄今為止還沒有哪一類能夠擴(kuò)展到足夠多的量子比特，以充分發(fā)揮量子計(jì)算的潛力。

微軟正在采用一種更具挑戰(zhàn)性但最終更有前景的方法來擴(kuò)展量子計(jì)算的規(guī)模——拓?fù)淞孔颖忍亍Ｔ诶碚撋希痊F(xiàn)有方法產(chǎn)生的量子比特更加穩(wěn)定，而且不會(huì)犧牲大小或速度。我們已經(jīng)可以生成拓?fù)涑瑢?dǎo)相及其伴隨的馬約拉納零模態(tài)(Majorana zero modes)，為構(gòu)建可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)掃清了一個(gè)重大障礙。

本文是對(duì)我們的研究工作和方法的闡述，其表明了拓?fù)淞孔颖忍乇澈蟮幕A(chǔ)物理機(jī)理是成立的——這項(xiàng)研究首次觀測(cè)到了 30μeV 拓?fù)溟g隙，為拓?fù)淞孔佑?jì)算的潛在未來奠定了基礎(chǔ)。盡管在工程上依然存在挑戰(zhàn)，但這一發(fā)現(xiàn)為我們實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量子計(jì)算機(jī)的方法提供了基石，使微軟向著在 Azure 上創(chuàng)建量子機(jī)器的目標(biāo)邁出了關(guān)鍵一步。點(diǎn)擊閱讀原文訪問 Azure Quantum，開始使用量子計(jì)算。

微軟量子團(tuán)隊(duì)觀察到在砷化銦鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在的30μeV拓?fù)溟g隙

拓?fù)淞孔佑?jì)算是實(shí)現(xiàn)硬件級(jí)容錯(cuò)的途徑之一，有望實(shí)現(xiàn)具有高保真量子比特、快速門操作和單模塊架構(gòu)的量子計(jì)算系統(tǒng)。拓?fù)淞孔颖忍氐谋Ｕ娑取⑺俣群痛笮∮梢环N被稱為拓?fù)溟g隙(topological gap)的特征能量來控制。只有當(dāng)人們能夠可靠地產(chǎn)生物質(zhì)的拓?fù)湎啵⑼ㄟ^實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一個(gè)拓?fù)湎鄡?nèi)確實(shí)存在量子比特的子組件(并準(zhǔn)備好進(jìn)行量子信息處理)時(shí)，這條路徑才能行得通。這實(shí)現(xiàn)起來并不容易，因?yàn)橥負(fù)湎嗟奶卣髟谟谄浠鶓B(tài)的長(zhǎng)距離糾纏，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法輕易探測(cè)。

我們團(tuán)隊(duì)在一年前提出了 “拓?fù)溟g隙協(xié)議” TGP(topological gap protocol)[1]，并將其作為量子傳輸測(cè)量中拓?fù)湎辔坏淖R(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，解決了這一難題。拓?fù)涑瑢?dǎo)線的末端具有馬約拉納零模態(tài)，導(dǎo)線的兩端都有一個(gè)實(shí)費(fèi)米子算符，類似于 Ettore Majorana 在1937年構(gòu)建的實(shí)費(fèi)米子波動(dòng)方程。

因此，存在兩個(gè)相反的費(fèi)米子宇稱量子態(tài)，只能通過耦合到兩端的相位相干性探針來測(cè)量。在電測(cè)量中，馬約拉納零模態(tài)(參見圖1)會(huì)導(dǎo)致局部電導(dǎo)出現(xiàn)零偏壓峰(ZBPs: zero-bias peaks)。然而，局部 Andreev 束縛態(tài)(Andreev bound states)和無(wú)序性也可能出現(xiàn)零偏壓峰。因此，TGP 僅專注于高度穩(wěn)定的 ZBPs。最重要的是，它使用非局部電導(dǎo)來檢測(cè)體相變(bulk phase transition)。這種相變必須存在于普通的超導(dǎo)相和拓?fù)湎嗟倪吔缟希驗(yàn)樗鼈兪俏镔|(zhì)的兩個(gè)不同相，就像水和冰。

圖1：拓?fù)涑瑢?dǎo)納米線的局部態(tài)密度與能量和位置的關(guān)系。

我們使用包含材料堆疊、幾何形狀和缺陷等細(xì)節(jié)的模型對(duì)我們的設(shè)備進(jìn)行模擬。仿真實(shí)驗(yàn)表明，TGP 是一個(gè)檢測(cè)設(shè)備拓?fù)湎辔坏膰?yán)格標(biāo)準(zhǔn)。更為重要的是，傳遞協(xié)議的條件是在測(cè)量任何設(shè)備之前就已經(jīng)設(shè)定好的，即在非局部電導(dǎo)建立具有無(wú)間隙邊界的間隙區(qū)域上，設(shè)備兩端都存在穩(wěn)定的 ZBPs。考慮到拓?fù)湎嘧R(shí)別所涉及的微妙差異(這源于缺失局部有序參數(shù))，TGP 的設(shè)計(jì)原則之一就是避免確認(rèn)偏差(confirmation bias)。特別是，在整個(gè)操作范圍內(nèi)掃描設(shè)備，而不僅是“搜索”某個(gè)人們希望出現(xiàn)的特征，例如單個(gè) ZBP。

位于美國(guó)加利福尼亞州圣巴巴拉的微軟 Station Q 是微軟量子項(xiàng)目的發(fā)源地。在過去16年間，它一直是一個(gè)拓?fù)湎嗪土孔佑?jì)算半年度會(huì)議的東道主。由于新冠大流行而被迫中斷了兩年之后，Station Q 線下會(huì)議于3月初恢復(fù)舉辦。在這場(chǎng)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的量子計(jì)算領(lǐng)導(dǎo)者出席的會(huì)議上，微軟宣布，已開發(fā)了多個(gè)能夠通過 TGP 的設(shè)備。

我們的團(tuán)隊(duì)測(cè)量到了超過 30μeV 的拓?fù)溟g隙。這是實(shí)驗(yàn)中噪音水平的三倍多，并且溫度上也高出了類似的量級(jí)。這是一個(gè)里程碑式的科學(xué)進(jìn)步，也是拓?fù)淞孔佑?jì)算之旅中的關(guān)鍵一步。拓?fù)淞孔佑?jì)算依賴于任意子(拓?fù)錅?zhǔn)粒子上的兩個(gè)原始操作)的融合和編織。拓?fù)溟g隙決定了物質(zhì)底層狀態(tài)，為這些操作提供容錯(cuò)性。能夠?qū)崿F(xiàn)這些操作的更為復(fù)雜的設(shè)備需要多個(gè)拓?fù)渚€段，并依賴 TGP 作為其初始化過程的一部分。我們的成功取決于模擬、增長(zhǎng)、制造、測(cè)量和數(shù)據(jù)分析等各個(gè)團(tuán)隊(duì)之間的密切合作。每個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)都經(jīng)過了模擬，以便在設(shè)備制造之前對(duì)其超過23個(gè)不同的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。這使我們能夠在設(shè)計(jì)階段就確定設(shè)備的調(diào)試程序。

我們的結(jié)果得到了詳盡的測(cè)量和嚴(yán)格的數(shù)據(jù)驗(yàn)證程序的支持。我們從局部和非局部電導(dǎo)的組合中獲得了多個(gè)設(shè)備的大規(guī)模相位圖。我們用迷惑 TGP 的模擬數(shù)據(jù)對(duì)分析程序進(jìn)行了驗(yàn)證，這使我們能夠以較高的置信度排除各種虛假設(shè)(null hypotheses)。此外，數(shù)據(jù)分析由與數(shù)據(jù)獲取團(tuán)隊(duì)不同的團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，這是我們?cè)趫F(tuán)隊(duì)內(nèi)部不同組別之間進(jìn)行校驗(yàn)和制衡的一部分。此外，獨(dú)立顧問專家委員會(huì)正在審核我們的結(jié)果，截至目前，我們得到了非常積極的反饋。

隨著基礎(chǔ)物理學(xué)機(jī)理的論證，下一步就是建立拓?fù)淞孔颖忍亍Ｎ覀冊(cè)O(shè)想，與其他量子比特相比，拓?fù)淞孔颖忍貙⒓婢咚俣取⒋笮『头€(wěn)定性。我們相信，未來它終將能夠?yàn)橥耆?guī)模化的量子計(jì)算機(jī)提供動(dòng)力，這也將幫我們實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的全部潛力，以解決當(dāng)今社會(huì)面臨的最復(fù)雜和最緊迫的挑戰(zhàn)。