微软苦苦寻觅20年，拓扑量子比特仍然遥遥无期

光子盒研究院出品

量子计算机有望在许多领域（从密码学到蛋白质折叠模拟）取得巨大进步。然而，哪种物理系统最适合构建底层量子比特仍然是一个悬而未决的问题。与计算机中的普通比特不同，这些所谓的量子比特不仅可以取值0和1，也可以是0和1的线性组合。虽然这可能使它们非常有用，但它们也因此变得非常不稳定。

解决这个问题的一种方法是利用拓扑量子比特来编码空间排列中的信息，可以提供一个比其他物理实现方法更稳定和抗错误的计算基础。

拓扑量子比特的想法最早由微软的物理学家Alexei Kitaev在1997年提出。实现拓扑量子比特的关键是马约拉纳费米子，这种粒子的反粒子就是它本身，意大利物理学家马约拉纳(Ettore Majorana)在1937年预测了这种粒子。由于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。

在半导体中，电子的反粒子是空穴，即没有电子。假设我们能够创造出一种量子叠加态，这个粒子有一半的概率是在电子，一半的概率是在空穴，那么这样一个叠加态满足“粒子等于反粒子”这一定义，也就是马约拉纳费米子（相当于半个电子），而每一个电子都可以看成是两个马约拉纳费米子的叠加。

此外，马约拉纳费米子可以在零能量下束缚于某个缺陷，整个物体称为马约拉纳束缚态或马约拉纳零模。马约拉纳零模不再遵循费米统计，而是非阿贝尔统计的任意子，可以被应用于拓扑量子计算。但问题是，至今还没有人明确地发现一个拓扑量子比特。

近日，由奥地利科学技术研究所(IST Austria)纳米电子学小组的Marco Valentini领导的一个国际研究小组，研究了一个被预测能产生所谓的马约拉纳零模的装置——拓扑量子比特的核心成分。他们发现，所谓马约拉纳零模的有效信号实际上可能是一种误判。相关研究于7月2日发表在Science杂志[1]。

实验装置由一根只有几百纳米长的细线组成，由微软量子团队和哥本哈根大学的Peter Krogstrup制成。这些所谓的纳米线在芯片上的两个金属导体之间形成了一个自由浮动的连接。它们被涂上超导材料，这种材料在非常低的温度下会失去所有的电阻。涂层一直延伸到电线一端留下的一小部分，它构成了该装置的关键部分：连接处。然后整个装置暴露在磁场中。

用于安装纳米线样品的印制电路板。图片来源：IST Austria

科学家的理论预测，马约拉纳零模（他们正在寻找的拓扑量子比特的基础）应该出现在纳米线中。这些马约拉纳零模是一种奇怪的现象，因为它们最初只是一种数学技巧，用来描述纳米线中的一个电子由两半组成。通常，物理学家并不认为电子是可以分裂的，但是使用这种纳米线装置应该可以将这些“半电子”分开并将它们用作量子比特。

Marco Valentini（他在成为博士之前以实习生身份加入了IST Austria）解释说：“我们期望看到的是纳米线中马约拉纳零模的信号，但我们什么也没发现。我们先是感到困惑，然后是沮丧。最终，我们与马德里量子材料理论和固态量子技术小组的同事密切合作，检查了这个装置，并发现了问题所在。”

在试图找到马约拉纳零模的特征后，研究人员开始改变纳米线的设置，以检查其结构是否有任何干扰他们实验的影响。Valentini解释说：“为了找出问题所在，我们在不同的装置上做了几次实验。这花了我们一段时间，但当我们将无涂层结的长度从100纳米增加到200纳米时，我们找到了罪魁祸首。”

Marco Valentini正在实验室工作. 图片来源: IST Austria

当这个结足够大时，会发生以下情况：暴露的内部纳米线形成所谓的量子点——一种微小的物质，由于其受限的几何形状而显示出特殊的量子力学特性。然后，这个量子点中的电子可以与它旁边的涂层超导体中的电子相互作用，从而模拟科学家正在寻找的“半电子”——马约拉纳零模的信号。

纳米线悬在两个金属导体(紫色)之间。由铝(蓝色)制成的超导体覆盖了它的一部分，留下了由铟和砷(橙色)制成的暴露在外的内部纳米线的间隙。在带有小结的装置中，科学家们希望看到暴露在外的超导体中分离的“半电子”——以意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)的名字命名。但他们什么也没找到。而在带有大结的装置中，暴露的纳米线核心形成一个量子点，其电子与超导体涂层中的电子相互作用，形成模拟信号。图片来源：IST Austria

Valentini说：“在我们建立量子点如何在磁场中与超导体相互作用的理论模型并将实验数据与马德里团队的博士生Fernando Peñaranda进行的详细模拟进行比较之后，得出了这个意想不到的结论。由于Zeeman效应和Little-Parks效应，安德列夫能级复杂的磁场依赖性可能导致鲁棒的零偏压峰特征，这些特征很容易被误解为源于马约拉纳零模。”

Valentini提醒道：“将这种模拟信号误认为是马约拉纳零模，警示我们在实验和结论中必须非常小心。”“虽然这看起来像是在寻找马约拉纳零模的过程中倒退了一步，但它实际上是理解纳米线及其实验信号的关键一步。这一发现表明，国际同行的批判性审查是科学知识进步的核心。”

值得一提的是，微软作为拓扑量子计算的忠实支持者，今年连续遭到打击，微软的荷兰团队在2021年初撤回了2018年宣称发现马约拉纳费米子的论文，而本次奥地利团队的发现，无疑又让微软量子团队雪上加霜。

无论微软将如何解决这些重大挫折，它都让人们注意到：试图在未经证实的技术基础上构建计算机存在着极高的技术风险，而且这些技术的基础物理学甚至还未得到完善。

参考文献：

[1]https://science.sciencemag.org/content/373/6550/82

[2]https://phys.org/news/2021-07-scientists-advance-potential-topological-quantum.html

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