微软实现“半电子态”准粒子 助推量子计算机研发

量子比特示意图

　　北京时间4月2日消息，据国外媒体报道，微软前两日宣布了一项量子计算机的新进展：他们在一段导线中实现了“半电子”状态。这将对该公司量子计算机的研发起到关键作用。

　　IBM、谷歌和因特尔等大公司、甚至还有几家初创公司已经发明了多个量子比特的量子计算机。微软似乎稍显落后，连单量子比特计算机都尚未问世。但微软正致力于研发自己独特的量子计算机，通过融入艰深复杂的物理学知识来解决困扰竞争对手的种种挑战。如果一切按预期运行，这将是一项重大突破。

　　量子计算机利用基础量子物理原理，完成普通计算机难以实现、或无法实现的复杂运算。你也许听过谷歌的72量子比特计算机，但此类机器的精确度其实难以保证。只要受到轻微扰动，或受到外在环境的能量影响，都会导致计算出错。但微软的“拓扑”量子计算机也许能大大降低此类噪音干扰。相关研究人员近年来已经取得了一定进展，并在《自然》期刊上发表了论文。他们认为到今年底便可研发出有效的量子比特。

　　“我们的一个量子比特将比其它噪音更大的量子比特强大一千、甚至一万倍。”微软量子计算业务发展部门主管茱莉·拉弗（Julie Love）指出。

　　计算机凭借比特进行运算。比特是一种双状态系统，就像硬币可能正面朝上或反面朝上一样。量子比特也是如此，只不过这枚“硬币”在运算过程中是在一只黑匣子中翻转的。你只能设置硬币两面的初始值，这些值都是a+bi形式的复杂数字，经过运算后，便可得出硬币正面或反面朝上的概率。你只有打开黑匣子后才能知道硬币的值是多少。运算需要把几枚硬币绑在一起、同时放入黑匣子中，并让它们以一种特殊方式进行互动、使这些初始值在数学上相互结合。最终的计算结果取决于所有放入匣中的硬币，有些正面和反面朝上的组合出现的概率会更大，有些则完全不可能出现。

　　这套系统可以有多种用途，如用于高级化学模拟或人工智能等。但关键在于，要找到一种独特的量子“硬币正反面”系统，其中两种状态能够形成叠加态（即黑匣子），相互纠缠（即把硬币绑在一起），并相互干涉（硬币在黑匣子中结合后会改变正反面朝上的概率）。并且在这套系统中，就算你晃动匣子，硬币也能继续翻转，或通过做冗余处理弥补这些干扰。

　　微软研究人员认为，解决干扰问题的关键在于建立一套拓补系统。无论如何改变这套系统，它总有一些固有性质保持不变。这些系统便是所谓的拓补对象。

　　研究人员首先需要打造出拓补对象。微软专门制造了一条由锑化铟制成的半导体导线，外面包裹着具有超导性的铝。然后研究人员将这条导线在磁场中冷却至接近绝对零度，使其中的电子出现集体行为，迫使部分电性能呈现离散值。

　　这样一来，该系统中的信息便不是储存在单个粒子里，而是储存在整条导线的集体行为中。如果在磁场中操控这条导线，它就会呈现出类似半个电子的状态，或者更准确地说，如同一个处于“电子”和“非电子”之间状态的粒子。这些便是所谓的马约拉纳费米子，又称马约拉纳零模。它们受到该系统的集体拓补行为的保护。你可以让其中一个马约拉纳费米子绕着导线旋转，但不会对其它费米子产生干扰。

　　这些马约拉纳零模也可形成双量子比特状态。如果把它们放在一起，要么会变成零，要么会变成一个完整的粒子。

　　这就是在荷兰代尔夫特理工大学等大学的微软科学家们近日宣布的最新进展。他们在导线中观察到了强有力的证据，能够证明这些“半电子”马约拉纳零模的存在。

　　读到这里，你可能已经晕头转向了。简单来说，就是微软研发了一套原子系统，它的两端似乎各有半个电子。如果你只移动其中的一个“半电子”，整套系统的独特配置并不会受到破坏。而如果将两个“半电子”相连，你就会得到两种量子状态中的一种：有，或者无。

　　但要真正实现量子运算，光做到这点是不够的。“我们需要让两个马约拉纳费米子围绕彼此旋转，并且两者交换后的结果应当遵循非阿贝尔统计。”就职于微软和代尔夫特理工大学的莱奥·库文霍万（Leo Kouwenhoven）表示。也就是说，我们需要以某种方式真正对马约拉纳费米子进行操纵。

　　不要被“非阿贝尔”这个词吓跑了。它的意思其实很简单：对马约拉纳费米子执行两次不同的运算，若改变两次运算的顺序，运算结果也会随之而变。举个例子，如果将你的手机朝远离你的方向翻转一次，然后向右旋转一次，它会朝向某一个方向；而如果你先将手机向右旋转一次，再将其朝远离你的方向翻转一次，它就会朝向另一个与之前不同的方向。这就是一套非阿贝尔运算。简单来说，如果你以不同方式将两个马约拉纳费米子彼此交换，就会取得不同的测量结果。

　　从理论上来说，任何量子计算都至少需要四个马约拉纳费米子才能完成。假设四个马约拉纳费米子分别位于字母H的四个角上，中间由两根特殊导线相连。假如先将顶端的两个马约拉纳费米子交换，再将侧边的两个马约拉纳费米子交换，测量结果将不同于“先进行侧边交换”取得的结果。

　　这个交换的动作名为“编结”（braiding），相当于上文中将黑匣子里的硬币绑在一起。之所以必须遵循非阿贝尔统计，是因为物理法则默认每个粒子都是完全相同的，因此假如这套系统应用的是常规电子，将它们进行交换并不会保留此前动作的任何信息。但这些马约拉纳费米子具有非阿贝尔特性，意味着它们能够保留之前动作的“记忆”。这样一来，我们就可以把不同的量子比特分辨开来，并利用它们进行运算。

　　研究人员尚未在实验中验证编结过程。但微软量子副总裁托德·霍姆达尔（Todd Holmdahl）此前曾表示，他们预期在一年之内做出这一发现。

　　库文霍万指出，这些拓补量子比特目前还不具备其它量子比特的全部功能。假如把两种量子状态的所有可能组合视作球面上的若干点，上述交换运算暂时还无法覆盖所有的点。不过库文霍万暗示道：“我们已经有了一个计划。”

　　未参与此次研究的物理学家也对此感到兴奋不已。“我认为这篇论文意义重大。”伊利诺伊大学香槟分校物理学副教授史密莎·维西韦希瓦拉（Smitha Vishveshwara）表示。她认为“编结”听上去有些疯狂，或者说离经叛道：“很多进展还是要落实到位。但每当一项新进展得到验证，都十分令人激动。”

　　她对物理学本身的发展也感到同样激动。“马约拉纳粒子”原本是一种仅存在于理论中的粒子，作为自身的反粒子存在于自由空间中。科学家尚未在“空白空间”中发现这种粒子，不过在此类系统中找到它们的“模拟版本”也很有意思。

　　微软已经投资数百万美元，希望在经过精密设计的系统中发现新的物理原理，帮助自己研发的量子计算机成功运行。这在某种程度上解释了为何微软尚未研发出有效的成对量子比特，尽管该公司同时还在开展硬件研发，以及面向使用者的、使用编程语言的研发工具包。

　　微软相信，假如一切按计划进行、并且顺利运行，他们将拥有全世界最强大的量子比特，很快就能追上其它竞争对手。“我们的量子比特比其它公司稳定得多，” 茱莉·拉弗指出，“如果要建房子，砖块就足够了；但要搭建摩天大楼，就得用我们钢铁般坚固的量子比特才行。”