摘要：量子计算领域取得了飞跃，由加州大学圣巴巴拉分校物理学家领导的微软团队推出了八量子比特拓扑量子处理器，这是同类产品中的首款。该芯片是作为科学家设计的概念验证而制造的，它为开发期待已久的拓扑量子计算机打开了大门。

由加州大学圣巴巴拉分校物理学家领导的微软团队首次发现了拓扑量子比特，为更具容错能力的量子计算机铺平了道路。

量子计算领域取得了飞跃，由加州大学圣巴巴拉分校物理学家领导的微软团队推出了八量子比特拓扑量子处理器，这是同类产品中的首款。该芯片是作为科学家设计的概念验证而制造的，它为开发期待已久的拓扑量子计算机打开了大门。

微软 Station Q 主任 Chetan Nayak是加州大学圣巴巴拉分校的物理学教授，也是微软量子硬件技术研究员，他表示：“我们一直在保密，现在要一次性公开很多东西。” 这款芯片是在 Station Q 在圣巴巴拉举行的年度会议上发布的，同时 在《自然》杂志上发表了一篇论文，该论文由 Station Q、他们的微软队友和众多合作者撰写，介绍了研究团队对这些新量子比特的测量结果。

“我们创造了一种新的物质状态，称为拓扑超导体，”纳亚克解释道。他解释说，这种物质状态具有称为马约拉纳零模式 (MZM) 的奇异边界，可用于量子计算。对其异质结构器件进行严格模拟和测试的结果与此类状态的观察结果一致。“这表明我们可以做到这一点，而且做得快，做得准确，”他说。

研究人员还根据《自然》杂志的研究成果发表了一篇 目前已预印的论文， 概述了将他们的技术扩展为功能齐全的拓扑量子计算机的路线图。

马约拉纳魔法

量子计算的前景在于其计算速度和能力，预计其性能甚至会超越最先进的传统超级计算机。所有这些都依赖于量子比特，即比特的量子计算版本，是传统计算机的基本信息单位。虽然传统比特只存在于零或一的状态，但量子比特可以表示零、一以及两者之间的组合。

量子比特可以有不同的形式，例如利用捕获离子或光子的量子行为。拓扑系统基于一种称为任意子的不同类型的粒子，这是一种“准粒子”，它是材料表面许多相互作用的粒子的关联状态的结果，在本例中是超导纳米线。

拓扑量子计算之所以成为如此热门的研究领域，是因为它比其他量子计算系统更稳定，对误差的鲁棒性更强。量子比特容易出错，这就要求量子计算机建造者考虑到这一点，例如，建造更多的量子比特来纠正错误。

“一种互补方法是在硬件层面建立纠错机制，”纳亚克说。他解释说，由于量子信息分布并存储在物理系统中，而不是单个粒子或原子中，因此拓扑量子比特处理的信息不太可能失去其连贯性，从而形成一个容错能力更强的系统。

但并非任何准粒子都能做到这一点。对于拓扑量子计算，马约拉纳粒子（更具体地说是马约拉纳零模式）是首选工具。这些粒子以意大利物理学家埃托雷·马约拉纳的名字命名，他于 1937 年预测了这些粒子，它们的特殊之处在于它们是自己的反粒子，并且能够随着时间的推移保留其相对位置的“记忆”。通过“编织”它们——将它们物理地围绕彼此移动——可以创建更强大的量子逻辑。

研究人员通过将砷化铟半导体纳米线放置在非常靠近铝超导体的位置来实现这些 MZM。在适当的条件下，半导体线会变成超导并进入拓扑相。MZM 出现在导线的末端，而导线的其余部分则具有能隙。“这个拓扑间隙越大，”Nayak 指出，“拓扑相就越稳定。”

“令人惊讶的是，当你把间隙拉大时，它不仅会变得更加稳健，而且你可能会运行得更快，也许会把所有东西都缩小一点，这样你就不会为了尺寸的保真度而付出代价。”

研究人员的拓扑处理器只有八个量子比特，在量子计算机领域还只是个雏形，但它标志着科学家们数十年来开发拓扑量子计算机的探索中的一个重要里程碑。纳亚克说，在此过程中，Station Q与大学之间建立了卓有成效的合作关系，特别是在创造承载拓扑量子行为的材料领域。

“Chris Palmstrøm 有时会与我合作，他在这些材料方面取得了重要进展，”他谈到电子材料专家时说道，而材料科学家 Susanne Stemmer 则贡献了她在制造工艺方面的专业知识。Station Q 还聘请了许多学生加入其团队，而且重要的是，Nayak 补充说，半导体异质结构概念源自已故的 Herb Kroemer 的诺贝尔奖获奖理念，他曾是电气和计算机工程系的教授。

“加州大学圣塔芭芭拉分校在这些材料组合方面拥有悠久的专业知识和人才历史，并且在这种真正尖端的材料科学方面开辟了我们可以进行的新型物理学。”

来源：菠萝蜜的原创科学课堂