量子計算有望幫助我們解決人類所面臨的一些最嚴峻的挑戰(zhàn)。然而，在這個新生領域，我們?nèi)蕴幱诎l(fā)展的早期階段。目前，在量子計算機的幫助下，研究人員已經(jīng)能夠開展一些有趣的研究項目，但他們?nèi)匀皇苤朴谙到y(tǒng)規(guī)模的不足，無法開展更多研究。現(xiàn)有的量子計算機所依賴的量子比特有很多類型，但迄今為止還沒有哪一類能夠擴展到足夠多的量子比特，以充分發(fā)揮量子計算的潛力。

微軟正在采用一種更具挑戰(zhàn)性但最終更有前景的方法來擴展量子計算的規(guī)模——拓撲量子比特。在理論上，它比現(xiàn)有方法產(chǎn)生的量子比特更加穩(wěn)定，而且不會犧牲大小或速度。我們已經(jīng)可以生成拓撲超導相及其伴隨的馬約拉納零模態(tài)（Majorana zero modes），為構建可擴展的量子計算機掃清了一個重大障礙。

本文是對我們的研究工作和方法的闡述，其表明了拓撲量子比特背后的基礎物理機理是成立的——這項研究首次觀測到了 30μeV 拓撲間隙，為拓撲量子計算的潛在未來奠定了基礎。盡管在工程上依然存在挑戰(zhàn)，但這一發(fā)現(xiàn)為我們實現(xiàn)規(guī)模化量子計算機的方法提供了基石，使微軟向著在 Azure 上創(chuàng)建量子機器的目標邁出了關鍵一步。點擊閱讀原文訪問 Azure Quantum，開始使用量子計算。

?微軟量子團隊觀察到在砷化銦鋁異質(zhì)結構中存在的30μeV拓撲間隙

拓撲量子計算是實現(xiàn)硬件級容錯的途徑之一，有望實現(xiàn)具有高保真量子比特、快速門操作和單模塊架構的量子計算系統(tǒng)。拓撲量子比特的保真度、速度和大小由一種被稱為拓撲間隙（topological gap）的特征能量來控制。只有當人們能夠可靠地產(chǎn)生物質(zhì)的拓撲相，并通過實驗驗證一個拓撲相內(nèi)確實存在量子比特的子組件（并準備好進行量子信息處理）時，這條路徑才能行得通。這實現(xiàn)起來并不容易，因為拓撲相的特征在于其基態(tài)的長距離糾纏，而傳統(tǒng)實驗無法輕易探測。

我們團隊在一年前提出了 “拓撲間隙協(xié)議” TGP（topological gap protocol）[1]，并將其作為量子傳輸測量中拓撲相位的識別標準，解決了這一難題。拓撲超導線的末端具有馬約拉納零模態(tài)，導線的兩端都有一個實費米子算符，類似于 Ettore Majorana 在1937年構建的實費米子波動方程。

因此，存在兩個相反的費米子宇稱量子態(tài)，只能通過耦合到兩端的相位相干性探針來測量。在電測量中，馬約拉納零模態(tài)（參見圖1）會導致局部電導出現(xiàn)零偏壓峰（ZBPs: zero-bias peaks）。然而，局部 Andreev 束縛態(tài)（Andreev bound states）和無序性也可能出現(xiàn)零偏壓峰。因此，TGP 僅專注于高度穩(wěn)定的 ZBPs。最重要的是，它使用非局部電導來檢測體相變（bulk phase transition）。這種相變必須存在于普通的超導相和拓撲相的邊界上，因為它們是物質(zhì)的兩個不同相，就像水和冰。

▲拓撲超導納米線的局部態(tài)密度與能量和位置的關系。

我們使用包含材料堆疊、幾何形狀和缺陷等細節(jié)的模型對我們的設備進行模擬。仿真實驗表明，TGP 是一個檢測設備拓撲相位的嚴格標準。更為重要的是，傳遞協(xié)議的條件是在測量任何設備之前就已經(jīng)設定好的，即在非局部電導建立具有無間隙邊界的間隙區(qū)域上，設備兩端都存在穩(wěn)定的 ZBPs。考慮到拓撲相識別所涉及的微妙差異（這源于缺失局部有序參數(shù)），TGP 的設計原則之一就是避免確認偏差（confirmation bias）。特別是，在整個操作范圍內(nèi)掃描設備，而不僅是“搜索”某個人們希望出現(xiàn)的特征，例如單個 ZBP。

位于美國加利福尼亞州圣巴巴拉的微軟 Station Q 是微軟量子項目的發(fā)源地。在過去16年間，它一直是一個拓撲相和量子計算半年度會議的東道主。由于新冠大流行而被迫中斷了兩年之后，Station Q 線下會議于3月初恢復舉辦。在這場工業(yè)界和學術界的量子計算領導者出席的會議上，微軟宣布，已開發(fā)了多個能夠通過 TGP 的設備。

我們的團隊測量到了超過 30μeV 的拓撲間隙。這是實驗中噪音水平的三倍多，并且溫度上也高出了類似的量級。這是一個里程碑式的科學進步，也是拓撲量子計算之旅中的關鍵一步。拓撲量子計算依賴于任意子（拓撲準粒子上的兩個原始操作）的融合和編織。拓撲間隙決定了物質(zhì)底層狀態(tài)，為這些操作提供容錯性。能夠?qū)崿F(xiàn)這些操作的更為復雜的設備需要多個拓撲線段，并依賴 TGP 作為其初始化過程的一部分。我們的成功取決于模擬、增長、制造、測量和數(shù)據(jù)分析等各個團隊之間的密切合作。每個設備設計都經(jīng)過了模擬，以便在設備制造之前對其超過23個不同的參數(shù)進行優(yōu)化。這使我們能夠在設計階段就確定設備的調(diào)試程序。

我們的結果得到了詳盡的測量和嚴格的數(shù)據(jù)驗證程序的支持。我們從局部和非局部電導的組合中獲得了多個設備的大規(guī)模相位圖。我們用迷惑 TGP 的模擬數(shù)據(jù)對分析程序進行了驗證，這使我們能夠以較高的置信度排除各種虛假設（null hypotheses）。此外，數(shù)據(jù)分析由與數(shù)據(jù)獲取團隊不同的團隊主導，這是我們在團隊內(nèi)部不同組別之間進行校驗和制衡的一部分。此外，獨立顧問專家委員會正在審核我們的結果，截至目前，我們得到了非常積極的反饋。

隨著基礎物理學機理的論證，下一步就是建立拓撲量子比特。我們設想，與其他量子比特相比，拓撲量子比特將兼具速度、大小和穩(wěn)定性。我們相信，未來它終將能夠為完全規(guī)模化的量子計算機提供動力，這也將幫我們實現(xiàn)量子計算的全部潛力，以解決當今社會面臨的最復雜和最緊迫的挑戰(zhàn)。