微软消除了实现拓扑量子比特的最大障碍

光子盒研究院出品

拓扑量子计算是实现硬件级容错的一条途径，有可能实现具有高保真量子比特、快速门操作和单模块架构的量子计算系统。拓扑量子比特的保真度、速度和大小由一种称为拓扑间隙的特征能量控制。前提需要可靠地产生物质的拓扑相(topological phase)，并通过实验验证量子比特的子组件处于拓扑相，以及准备好进行量子信息处理。但这并不简单，因为拓扑相的特征是基态的长程纠缠，这是传统实验探针不容易获得的。

微软Azure Quantum团队去年提出的“拓扑间隙协议”(TGP)解决了这个困难，作为通过量子输运测量确定拓扑相的标准。如果能够通过该协议，就证明存在拓扑间隙。为此，他们设计了一种设备：拓扑超导线的末端有马约拉纳零模。线的两端都有一个实数费米子算符。

最终，该团队在这个设备上测量到了超过30μeV的拓扑间隙。这是一个里程碑式的科学进步，也是拓扑量子计算之旅的关键一步。拓扑量子计算依赖于任意子的融合和编织(拓扑准粒子的两种原始操作)。拓扑间隙控制着物质的基本状态为这些操作提供的容错能力。

总之，微软通过马约拉纳零模和可测量的拓扑间隙创建和维持量子相位的能力，消除了产生拓扑量子比特的最大障碍。基于拓扑量子比特的量子计算机预计比其他已知量子比特构建的机器表现更稳定。

微软拓扑量子计算机介绍

在微软的设备中，有两个费米子宇称相反的量子态，只能通过耦合到两端的相位相干探针来测量。在电测量中，马约拉纳零模式会导致局部电导产生零偏压峰(ZBP)。但局部Andreev束缚态和无序也会导致零偏压峰。因此，TGP将重点放在高度稳定的ZBP上，使用非局部电导来检测体相变。这种转变必须出现在平凡超导相和拓扑相之间的边界上，因为这是物质的两个不同相，就像水和冰一样不同。

微软表示，在这个实验中，每个器件的设计都进行了模拟，以便在制造前对23个不同参数进行优化。这使其能够在设计期间确定器件调谐程序。最终，该团队测量到了超过30μeV的拓扑间隙。

用于测量拓扑间隙的设备

实验结果由详尽的测量和严格的数据验证程序支持。研究人员从局域和非局域电导的组合中获得了多个器件的大规模相图。分析程序在试图欺骗TGP的模拟数据上得到了验证。这使研究人员能够以高置信度排除各种无效假设。

该实验是基础物理的演示，下一步就是实现拓扑量子比特。与其他量子比特相比，拓扑量子比特在速度、大小和稳定性方面具有良好的组合。微软相信，最终它将在未来为完全可扩展的量子机器提供动力，以解决社会面临的最复杂和最紧迫的挑战。

今天的Azure Quantum客户已经能够从量子技术中实现早期但有意义的好处，例如在经典算法中使用量子原理来加速优化解决方案，以及学习如何开发可以在当前量子硬件上测试和运行的持久量子解决方案。

但微软表示，Azure Quantum的每一项决策和投资都专注于一个长期目标：开发量子机器并支持生态系统，让Azure客户能够利用该技术解决现实世界中企业规模的问题。

这台量子机器旨在与Azure的经典计算资源携手合作，为客户提供新的功能。例如，一家化学公司可能在几周内设计出新的催化剂，而不是在实验室里花上几十年。科学家可能解开大自然的秘密，以更可持续的方式获取阳光，并改善光伏发电，以获得更清洁的能源。

然而，我们要建造一台商业上有用的量子计算机，它的量子比特需要在三个关键维度上表现良好：可靠性、速度和大小。

具体而言，量子态本质上极其脆弱，容易被破坏，因此很难维持量子比特能够可靠执行计算的状态。为了提供超越经典计算的优势，量子比特还需要快速处理信息。最后，量子机器的组件不能大到填满一个仓库或一个足球场，这将使基于特定类型量子比特的系统难以扩展。

开发量子计算机的一个挑战是，当量子比特遇到热、杂散的亚原子粒子或磁场等环境噪声时非常容易坍缩和退相干。信息丢失，量子比特对计算不再有用。错误开始出现，量子计算机必须投入更多不可靠的量子比特来纠正它们。这就像试图让一整个房间的盘子在筷子上旋转，而最小的干扰都会导致一个盘子失去平衡，并开始撞上所有其他的盘子。

微软的方法是追求一种拓扑量子比特，它具有免受环境噪声影响的内置保护，这意味着执行有用的计算和纠正错误所需的量子比特要少得多。拓扑量子比特还能够快速处理信息，一个比信用卡上的安全芯片还小的晶片上可以容纳100多万个量子比特。

为了创建拓扑保护，量子信息可以被编码在一对物理上分离的马约拉纳零模中。这使得拓扑量子比特对环境噪音更加免疫，当它只遇到一种环境噪音时，这种环境噪声不能与信息交互或破坏信息。获得量子信息的唯一方法是同时观察两个马约拉纳零模的组合状态。以策略性的方式进行这些测量，既能实现量子操作，又能为量子比特创造内在的保护。

博士后研究员赵晓静(音)在微软量子材料实验室工作

但首先，Azure Quantum团队需要展示如何可靠地创建拓扑相，以赋予这些稳定性、速度和大小优势。为此，他们开发了一种工艺，以极其可控和原子级精确的方式将半导体和超导材料层叠到一个设备上。在特定磁场和电压的存在下，可以产生一个带有一对马约拉纳零模的拓扑相，其特征是在适当的条件下，纳米线两端都会出现指示能量特征，以及一个可测量的拓扑间隙。

在探索什么样的架构可以满足运行实际量子应用的要求时，微软的量子专家相信，拓扑量子比特是唯一能够同时满足量子计算机三个关键维度的构建块，可以达到实际使用所需的规模。

微软认为，决定投资这种具有挑战性的拓扑方法，有点像选择从小路直接爬上一座山，最终获得的回报是沿着山脊走得更容易；而不是选择更容易的道路，呆在山谷里，直到后来到达阻碍向上前进的悬崖。

微软量子材料实验室的科学主任Peter Krogstrup表示：“微软采取了这种非常冒险但回报很高的方法，试图制造一个理论上看起来是你能得到的最好的量子比特。但挑战是，没有人在现实生活中真正见过这些马约拉纳零模。但我们现在已经做到了，这非常令人兴奋。我们必须继续发展我们的工程能力，但现在看起来确实有一条通往可扩展量子计算的道路。”

哥本哈根微软量子材料实验室的科学主任Peter Krogstrup

哥本哈根的微软量子材料实验室和其他地方的专家花了几年时间发明或优化制造技术，现在他们能够设计和制造原子级精度的设备。此外，搞清楚如何在高真空环境中组装最新设备的关键元件，也使硬件团队能够达到传统制造技术无法达到的纯度水平。

微软的量子领导人表示，明确地说，在创造可扩展的量子计算机的道路上，还有更具挑战性的工作要做。

但是这些相同的模拟、设计和制造能力将继续使Azure Quantum团队受益，因为他们正在着手下一步工作：

搞清楚如何使拓扑间隙更具鲁棒性和稳定性，纠缠马约拉纳构建块以制作量子比特，用能够进行有意义计算的量子比特处理信息，并将必须在比外太空更冷的温度下工作的量子比特连接到一台可扩展机器中。

微软正在其量子材料实验室安装更多稀释制冷机，以在超低温下测试和测量量子器件

但该团队表示，最重要的科学问号现在已经被抹去。下一组即将出现的问题，虽然仍然很难解决，却是在稍微不那么陌生的领域。

微软制造部总经理Lauri Sainiemi说：“制造拓扑量子比特不再存在根本性障碍，这绝不意味着我们已经完成了——我们仍然有大量的工作要做。但基础部分已经得到了验证，现在我们更多地走上了工程化的道路，这是我们将继续追求的目标。”

参考链接：

[]1https://news.microsoft.com/innovation-stories/azure-quantum-majorana-topological-qubit/

[2]https://www.microsoft.com/en-us/research/blog/microsoft-has-demonstrated-the-underlying-physics-required-to-create-a-new-kind-of-qubit/

—End—

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