天使粒子得而复失，微软量子计算的“寒冷春天”

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多年来，微软押宝于神奇的马约拉纳费米子（Majorana fermion，亦被称为天使粒子）， 希望利用其构建出划时代的量子计算机，在量子计算发展浪潮中迎头赶上、弯道超车。然而，这一美好计划却因天使粒子的乌龙而“中道崩殂”，微软所支持的团队关于天使粒子的发现被证明是一个“失误”，微软的豪言壮志也重新面临根基崩解的窘境。这个量子计算机的春天，对于微软来说，貌似是寒冷的。

许多量子科学家认为，量子态叠加原理使得量子计算机每个量子比特（qubit）能够同时表示二进制中的0和1，从而使量子计算机相较经典计算机算力发生爆发式增长。这一优势被美国物理学家、量子计算领域教父级人物John Preskill称为“量子霸权（quantum supremacy，或译为量子计算优越性）”。2019年10月底，谷歌宣布其名为“悬铃木Sycamore”的53位芯片已经成功实现“量子优越性”，它声称悬铃木在200秒内完成的任务，当时世界上最快的超级计算机IBM Summit则需要一万年才能完成。

这在当年轰动了全球舆论。虽然业界随后对谷歌的说法提出各种质疑，但这依然不影响量子计算的爆红全球。《纽约时报》甚至将谷歌此次获得的成功与莱特兄弟的飞机首飞相提并论。其他竞争者也很快对谷歌的“霸权”发起挑战。2020年6月和8月，霍尼韦尔、IBM这两家科技巨头先后宣布其64量子体积的量子计算机性能全球第一。2020年9月，中科院院士潘建伟教授宣布团队已经完成对50个光子的玻色取样，相比谷歌的“量子优越性”快100万倍。

一时间，量子计算在舆论界煽起的大火已然呈燎原之势，量子计算机发展的春天似乎已经到来。但作为计算机领域巨头的微软，却在这个首发浪潮中错失了先机。不过微软别有良图。

目前量子计算的主流技术路径有超导、半导、离子阱、光学以及量子拓扑这五个方向。而前四种路径均已被制作出物理原型机，仅剩量子拓扑尚无物理方面的实现。因此量子拓扑成为了微软实现弯道超车的不二之选。微软最终成为了押宝的“拓扑量子比特（Topological qubit）”的唯一科技巨头。

量子计算机受制于微观特性，极其容易受到外界干扰，因而只能被放置在超低温的环境中，充分隔绝外界扰动。但当量子比特数量规模增加，量子态还是极易被热噪声或电磁噪声压制，令量子计算机的错误率剧增。这成为了主流量子计算机最难克服的挑战之一。

拓扑量子计算机由俄裔美国物理学家Alexei Kitaev于1997年首次提出，由于其特有的物理性质，拓扑量子计算不需要太多的量子纠错，相较于普通的“逻辑量子比特（logical qubit）”，它的抗干扰、容错能力是无可替代的强大优势，这也成为微软弯道超车的底气所在。不过量子拓扑技术路线的致命问题在于，符合拓扑量子比特设想（非阿贝尔群任意子，Non-abelian Anyons）的基本物理粒子还没有在实验中发现，严格来说它还只是基本粒子理论中的一个预言。也正因为此，量子拓扑成为了量子计算领域中仅剩的一块无人之地。

2018年3月，代尔夫特理工大学的荷兰物理学家、微软员工Leo Kouwenhoven所领导的团队宣称，他们观察到了难以发现的粒子——马约拉纳费米子，该粒子将有望应用于拓扑量子计算机，相关论文发表在Nature上。微软量子计算业务开发负责人Julie Love随后踌躇满志地表示，微软将在五年内构建商业化量子计算机。然而事与愿违，在上月Kouwenhoven和21位合著者发表的一篇论文中，实验中的更多数据得以囊括展示。在论文中，他们最终承认此前并没有找到天使粒子，而原论文以“技术错误”的理由被Nature撤回。

匹兹堡大学教授Sergey Frolov对此事发表了公开评论，他认为，Kouwenhoven团队这次公开的数据中包括了很多偏离主线但被原论文忽略的数据点。如果纳入这些数据点，则结论将完全不同——马约拉纳费米子并未出现。Frolov称，“我不知道他们在想什么，但他们跳过了一些与该论文观点相矛盾的数据。从更完整数据来看，毫无疑问他们没有找到马约拉纳费米子。”

无独有偶，Science今年也刊发一篇Report“否决”此前关于天使粒子的一项研究（相关内容参见知社此前报导）。2017年，美国加州大学洛杉矶分校K. Wang教授团队与Shou-Cheng Zhang教授团队、加州大学欧文分校的Jing Xia教授团队合作，在毫米级量子反常霍尔-超导样品的磁畴反转区域“实验上观测”到了半整数量子化电导平台，并解释其为手性马约拉纳费米子 ( “天使粒子”) 所导致，认为这是量子反常霍尔效应平台系统中第一个具有确凿证据的手性马约拉纳费米子实验测量结果，引起巨大轰动。

但在今年1月，美国宾夕法尼亚州立大学Cui-Zu Chang助理教授、Moses. H. W. Chan教授、Nitin Samarth教授和德国维尔兹堡大学 Laurens W. Molenkamp教授合作，发现在毫米级的量子反常霍尔绝缘体与超导体的异质结中的半整数量子化电导平台的边缘电流不是由手性马约拉纳费米子导致。从而否定了此前的研究。

John Preskill教授十分看好拓扑量子计算，认为“它是如此的迷人和优雅”。他与路易斯安那州立大学教授Jonathan Dowling打赌，认为拓扑量子计算一定会在2030年之前诞生。两人以一顿啤酒加披萨作为赌注。但是，对于微软而言，天使粒子的得而复失无疑是当头浇下的一盆冷水。近年来针对马约拉纳费米子虽然不断有前瞻性工作完成，但是距离“真正发现”马约拉纳费米子尚还有不短距离。这个量子计算机的春天，对于微软来说似乎是寒冷的。

但客观而言，量子计算机目前还处在早期发展的阶段，倘若类比经典计算机，今天的量子计算机还处在经典计算机的电子管时代，就连最底层的物理载体还没有完全形成。与其将量子计算机称作前瞻性技术，还不如将其称作技术性前瞻。因此，量子计算也好，天使粒子也好，都还仅仅是一个新时代的前奏曲。一切尚是海阔天空，大有可为。

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