微软发现新拓扑材料，拓扑量子计算机要登场了
近日，微软与哥本哈根大学合作产生了制作拓扑量子计算机的新材料，这无疑是微软研究拓扑量子计算机数十年来取得的重大进展。
相关人员表示，新材料将很快应用于实现真正的拓扑量子比特，从而实现真正的拓扑量子计算机。
相关研究已发表于《Nature Physics》[1]
发展趋势
近几月，量子计算屡获捷报。
8月中旬，IBM发布64QV的超导量子计算机；
8月末，英国推出全球首个量子操作系统，使得相同的量子软件在不同类型的量子计算硬件上运行成为可能；同时Google 宣布，其量子研究团队在量子计算机上模拟了迄今最大规模的化学反应；
9月2日，IBM发布其有史以来的最强大的65-Qubit的量子系统，这是当前实现的基于超导的最高量子比特数的量子系统。同月，Xanadu宣布，推出光量子计算云平台，这是全球首个基于光量子计算系统的云平台；
9月5日，潘建伟院士表示，其研究团队实现了50个光子的玻色采样；
9月12日，中国本源量子发布了国内初创公司的首个超导量子计算云平台；
9月15日，百度发布国内首个云原生量子计算平台。同时，IBM发布其量子技术路线图，将在2023年实现超过1000量子比特的量子计算机，开启通往百万级别量子系统的道路。
9月17日，剑桥量子计算公司与IBM合作，开发了世界上首个量子计算应用程序。
短短数月时间，量子计算领域可谓发生了翻天覆地的变化，从硬件、云平台、操作系统以及应用方面都取得了突破性的进展。
从量子计算整体的发展来看，形势直线上走，百家争鸣，全球竞争。
超导、离子阱以及光量子计算都取得了瞩目的成就，但是吆喝声最高的拓扑量子计算，一直看不见踪影。
拓扑量子计算机前景
与众不同的是，微软一直耕耘在拓扑量子计算领域，已有数十年之久。拓扑的难度在于，这是一个从0到1的过程，相较于超导、半导成熟的工业背景，拓扑非常具有挑战性。
但是其魅力在于，拓扑量子计算可能才是真正的量子计算，因为无需大规模纠错。
而且，该技术栈拥有着无可比拟的优点，如：
对于环境干扰、噪声、杂质有很强的抵抗能力；
相干时间可以无限延长；
两比特门保真度可达100%。
机会与挑战并存，拓扑所拥有的优势与其所具有的挑战是呈相关性的，这也是科技大企业中，仅有微软研究该领域的原因所在。不过，而该技术一旦实现，将彻底的震惊世界。
挑战
在过去的十年中，凝聚态系统中的拓扑状态引起了业界极大的兴趣和反响，其中包括2016年的诺贝尔物理学奖。所谓的Majorana零模式具有天然的容错能力，这使得拓扑状态非常适合量子计算。
但是，系统必须在大磁体的内腔中运行，每个拓扑片段必须沿着磁场的方向精确排列。然而，这需要强大的磁场来诱导拓扑相位，使得实现Majorana零模拓扑的进展受到巨大的阻碍。
关键的第一步
近日，微软与哥本哈根大学合作使得拓扑量子计算机成为可能。
新研究展示了在没有施加磁场的情况下，拓扑超导性的关键特征，在超导体和半导体元件中，一层薄薄的材料铕硫化物(Eus) ，其内部磁性自然地与纳米线的轴对齐，并在其中产生一个有效磁场(比地球磁场强一万倍以上) ，该磁场足以诱发拓扑超导相位。
哥本哈根大学教授Charles Marcus解释了这一进展：通过将三种成分单晶半导体、超导体、铁磁绝缘体组合成一种新的三重混合体材料，该新材料能够在低温下形成拓扑超导体，提供了制造拓扑量子计算的新途径，并为物理学家提供了新的物理系统探索方式。
插图 b: 电子显微照片显示栅极电极之间的导线(蓝色/灰色)。栅极是控制电子密度所必需的，而电子从源极(偏置)穿过导线。这个系统的最大优点是大磁场已经变得多余，因为磁场可能对附近的其他成分产生潜在的负面影响。换句话说，这个结果使实际应用的可能性大大增加。图中金属丝的长度为2微米 = 0.002毫米，厚度为100纳米 = 0.0001毫米。
将很快应用于制作量子比特
官方表示，其下一步将是应用新材料，制造出真实可用的量子比特。
到目前为止，研究人员一直在从事物理学方面的工作，现在他们将着手设计实际的量子计算设备。
量子比特对于量子计算机而言，就如同晶体管对于我们今天所熟知的普通计算机一样，它是执行计算的基本单元。
拓扑量子比特一旦在物理层面上制备成功，就意味着拓扑量子计算机即将诞生。
量子计算机具有巨大的性能潜力，以至于今天我们甚至无法真正想象到这种可能性，而拓扑量子计算机所拥有的优势，将这种可能性再次升级。
数十年的研究进入实践阶段，微软深耕的拓扑领域会带来怎样的颠覆，所有人，拭目以待。
参考链接
[1] https : //www.nature.com/articles/s41567-020-1017-3
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