微软量子计算遭遇重大打击！三年前并未发现马约拉纳粒子

光子盒研究院出品

2018年3月，荷兰物理学家、微软员工Leo Kouwenhoven发表了一篇论文，证明他观察到了一种难以捉摸的粒子——马约拉纳费米子。

微软希望利用马约拉纳粒子建立一个量子计算机，通过利用古怪的物理原理，获得前所未有的力量。竞争对手IBM和Google已经使用更成熟的技术建造了令人印象深刻的量子计算机原型。Kouwenhoven的发现为微软提供了迎头赶上的机会。该公司的量子计算业务开发总监Julie Love对BBC表示，微软将在“五年内”拥有一台商用量子计算机。

三年后，微软2018年的计划失败了。在上个月底，Kouwenhoven和他的21位合著者发表了一篇新的论文，其中包含了更多的实验数据。结论是他们终究没有找到珍贵的粒子。作者的一份附加说明表示，这篇发表在《自然》杂志上的原始论文将以“技术错误”为由被收回。

Leo Kouwenhoven

微软设想的是一种拓扑量子计算机，这种架构的特点就是稳定。

在超导等架构下，量子比特的数量一多，错误率就会急剧上升。错误就来自局域噪音（Local Noise）。要知道在微观世界，哪怕极其微小的电磁场都会对粒子构成干扰，产生所谓的局域噪音。

而拓扑量子比特就不同，它是通过基本粒子的拓扑位置和拓扑运动来处理信息的。就像远古时代人类结绳记事，利用不同的节点绳子编织的（拓扑）结构的不同代表不同的信息，无论如何晃动绳子（微扰），信息的存储都是稳定的。

拓扑量子计算示意图

符合拓扑量子计算设想的基本物理粒子只有马约拉纳费米子，因为马约拉纳费米子的反粒子就是自己本身，它的状态非常稳定。马约拉纳粒子的发现与否，直接决定了拓扑量子计算能否成功。

这种粒子由意大利物理学家马约拉纳（Ettore Majorana）在1937年首次预言，但是几十年来都没有人寻到它的踪迹。

2005年，在微软首席研究战略官Craig Mundie的支持下，拓扑学家Michael Freedman建立了一个量子实验室StationQ，与领先的实验物理学家合作并资助他们寻找建立这种新形式量子比特所需的粒子。荷兰代尔夫特理工大学的Kouwenhoven是得到微软支持的物理学家之一。

2012年，Kouwenhoven团队宣布发现了一个马约拉纳粒子存在的证据。2018年，他们宣布首次观察到了马约拉纳粒子。

但是越来越多的实验数据表明，Kouwenhoven并未真正发现马约拉纳粒子。

该领域的两位物理学家声称，Kouwenhoven研究小组在对2018年的研究结果提出质疑之后向他们提供的额外数据显示，研究小组最初排除了破坏其新闻报道主张的数据点。

匹兹堡大学教授Sergey Frolov说：“我不确定他们脑子里想的是什么，但他们跳过了一些与论文内容直接矛盾的数据。从更完整的数据来看，毫无疑问没有马约拉纳粒子。”

2018年的论文声称，与2012年的一项研究相比，马约拉纳粒子的证据更为确凿。但是结果更为含糊不清。尽管如此，这项研究还是为Kouwenhoven和他在代尔夫特理工大学的实验室赢得了声誉。该项目的部分资金来自微软，该公司于2016年聘请了Kouwenhoven。

这篇2018年的论文报告说，在一根极低温半导体纳米线的电流中，发现了马约拉纳粒子的信号，称为“零偏压峰”（zero bias peaks）。

在绝对零度（-273.15℃）且通用电导值为2e2 / h（其中e是电子的电荷，h是普朗克常数）的条件下，作为马约拉纳对称（马约拉纳粒子的反粒子是其本身）的直接后果，零偏压峰的高度将会出现量子化。马约拉纳对称性能够保持量子化免受无序、相互作用和隧道耦合变化的影响。

先前的大多数实验中，显示零偏压峰值远小于2e2/h，Kouwenhoven团队的论文声称，他们在覆盖有铝超导层的铟锑化合物半导体纳米线上测量的零偏压电导，显示有一个零偏压峰值接近2e2/h的量子化的电导平台。

但Frolov最近在推特上表示，他在未发表的数据中看到了许多问题，包括偏离直线但在发表的论文中被遗漏的数据点。如果这些数据点包括在内，那么就没有办法证明马约拉纳粒子的存在。

 物理学家Sergey Frolov在推特上质疑2018年论文中缺失的数据

微软的一份声明称Kouwenhoven无法置评，因为重新解释其团队研究结果的新论文正在接受同行评审。他说：“我们相信，规模化量子计算有助于解决人类面临的一些重大挑战，我们仍然致力于在量子计算领域的投资。”

去年4月《自然》杂志在2018年的论文中增加了一个“编辑表达关切”（editorial expression of concern），一位发言人本周表示，《自然》杂志正在“与作者合作解决此事”。

代尔夫特理工大学的一位发言人说，其研究诚信委员会于2020年5月开始的一项调查尚未完成。一位熟悉这一过程的人士说，最终报告可能会发现代尔夫特的研究人员犯了错误，但无意误导。

2016年，Kouwenhoven和哥本哈根大学著名物理学家Charles Marcus同时加入微软，致力于发现马约拉纳粒子。计划是首先探测粒子，然后发明更复杂的设备来控制它们，并充当量子比特。

2018年初，时任拓扑量子计算项目负责人Todd Holmdahl（曾领导微软Xbox游戏机的硬件工作）告诉巴伦杂志 (Barron's) ，他将在今年年底拥有一个拓扑量子比特。一个月后，这篇备受争议的论文发表了。

正当微软还在苦苦寻找马约拉纳粒子时，致力于现有量子比特技术的竞争对手研究取得了稳步进展。2019年9月，谷歌宣布达到了“量子霸权”的里程碑，显示一个拥有53个量子比特的芯片可以在几分钟内完成一个统计计算，这将花费超级计算机上千年的时间。

不久之后，微软似乎在对冲他们在拓扑量子计算上的风险，2019年12月宣布通过其云服务Azure向其他公司提供量子硬件访问。《华尔街日报》报道说，Holmdahl在其承诺期内并未造出任何一个量子比特，于当年离开了该项目。

自从Holmdahl离开后，微软对其在量子硬件方面的预期进展速度一直保持沉默。

匹兹堡大学的研究人员Frolov说，随着Kouwenhoven团队宣布2018年的“重大发现”其实是个错误，使得致力于探测马约拉纳的物理领域严重受挫，在经历了一段高期望后，面临着潜在的令人不快的衰落。他说，Kouwenhoven应该公布其实验的全部原始数据，供外界审查。

Frolov和澳大利亚新南威尔士大学的Vincent Mourik一起研究了这些额外的数据，他说他和Frolov一样担心。两人都曾在代尔夫特理工大学与Kouwenhoven共事，包括2012年发表的关于马约拉纳粒子的论文。

曾与微软研究人员合作的马里兰大学理论物理学家Sankar Das Sarma认为，这项技术最终会奏效，但可能需要一段时间。他是有争议的2018年论文和上个月发布的新论文的合著者。

Das Sarma认为，过去几年发展起来的新理论表明，2018年使用的方法无论如何都无法最终确定马约拉纳粒子的存在。他说，在此之前，需要更纯净的材料、更复杂的实验以及更多的科学进步。

微软的量子比特距离我们还有多远尚不清楚。

Das Sarma说，基于马约拉纳粒子的量子计算可能处于与1926年相当的阶段，当时晶体管的第一项专利已经提交。直到1947年，研究人员才发明出第一个工作晶体管；使计算机工业得以发展的集成电路直到20世纪50年代末才被开发出来。

Das Sarma坚信马约拉纳粒子的存在，并且能够被控制。但他认为，“可能还有30年。”

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2101.11456

参考文章：

https://www.wired.com/story/microsoft-win-quantum-computing-error/

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