微軟拓?fù)淞孔颖忍貫闃?gòu)建可擴展量子計算機掃清障礙

量子計算有望幫助我們解決人類所面臨的一些最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。然而，在這個新生領(lǐng)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?，F(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?fù)淞孔颖忍?。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?fù)涑瑢?dǎo)相及其伴隨的馬約拉納零模態(tài)（Majorana zero modes），為構(gòu)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?fù)淞孔颖忍乇澈蟮幕A(chǔ)物理機理是成立的——這項研究首次觀測到了 30μeV 拓?fù)溟g隙，為拓?fù)淞孔佑嬎愕臐撛谖磥淼於嘶A(chǔ)。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)?；孔佑嬎銠C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(biāo)邁出了關(guān)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(tuán)隊觀察到在砷化銦鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在的30μeV拓?fù)溟g隙

拓?fù)淞孔佑嬎闶菍崿F(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(gòu)的量子計算系統(tǒng)。拓?fù)淞孔颖忍氐谋Ｕ娑?、速度和大小由一種被稱為拓?fù)溟g隙（topological gap）的特征能量來控制。只有當(dāng)人們能夠可靠地產(chǎn)生物質(zhì)的拓?fù)湎?，并通過實驗驗證一個拓?fù)湎鄡?nèi)確實存在量子比特的子組件（并準(zhǔn)備好進(jìn)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?fù)湎嗟奶卣髟谟谄浠鶓B(tài)的長距離糾纏，而傳統(tǒng)實驗無法輕易探測。

我們團(tuán)隊在一年前提出了 “拓?fù)溟g隙協(xié)議” TGP（topological gap protocol），并將其作為量子傳輸測量中拓?fù)湎辔坏淖R別標(biāo)準(zhǔn)，解決了這一難題。拓?fù)涑瑢?dǎo)線的末端具有馬約拉納零模態(tài)，導(dǎo)線的兩端都有一個實費米子算符，類似于 Ettore Majorana 在1937年構(gòu)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(dǎo)致局部電導(dǎo)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(dǎo)來檢測體相變（bulk phase transition）。這種相變必須存在于普通的超導(dǎo)相和拓?fù)湎嗟倪吔缟?，因為它們是物質(zhì)的兩個不同相，就像水和冰。

我們使用包含材料堆疊、幾何形狀和缺陷等細(xì)節(jié)的模型對我們的設(shè)備進(jìn)行模擬。仿真實驗表明，TGP 是一個檢測設(shè)備拓?fù)湎辔坏膰?yán)格標(biāo)準(zhǔn)。更為重要的是，傳遞協(xié)議的條件是在測量任何設(shè)備之前就已經(jīng)設(shè)定好的，即在非局部電導(dǎo)建立具有無間隙邊界的間隙區(qū)域上，設(shè)備兩端都存在穩(wěn)定的 ZBPs?？紤]到拓?fù)湎嘧R別所涉及的微妙差異（這源于缺失局部有序參數(shù)），TGP 的設(shè)計原則之一就是避免確認(rèn)偏差（confirmation bias）。特別是，在整個操作范圍內(nèi)掃描設(shè)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?fù)湎嗪土孔佑嬎惆肽甓葧h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(fù)舉辦。在這場工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的量子計算領(lǐng)導(dǎo)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(shè)備。

我們的團(tuán)隊測量到了超過 30μeV 的拓?fù)溟g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(xué)進(jìn)步，也是拓?fù)淞孔佑嬎阒弥械年P(guān)鍵一步。拓?fù)淞孔佑嬎阋蕾囉谌我庾樱ㄍ負(fù)錅?zhǔn)粒子上的兩個原始操作）的融合和編織。拓?fù)溟g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(fù)雜的設(shè)備需要多個拓?fù)渚€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(tuán)隊之間的密切合作。每個設(shè)備設(shè)計都經(jīng)過了模擬，以便在設(shè)備制造之前對其超過23個不同的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。這使我們能夠在設(shè)計階段就確定設(shè)備的調(diào)試程序。

我們的結(jié)果得到了詳盡的測量和嚴(yán)格的數(shù)據(jù)驗證程序的支持。我們從局部和非局部電導(dǎo)的組合中獲得了多個設(shè)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(jìn)行了驗證，這使我們能夠以較高的置信度排除各種虛假設(shè)（null hypotheses）。此外，數(shù)據(jù)分析由與數(shù)據(jù)獲取團(tuán)隊不同的團(tuán)隊主導(dǎo)，這是我們在團(tuán)隊內(nèi)部不同組別之間進(jìn)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(jié)果，截至目前，我們得到了非常積極的反饋。

隨著基礎(chǔ)物理學(xué)機理的論證，下一步就是建立拓?fù)淞孔颖忍?。我們設(shè)想，與其他量子比特相比，拓?fù)淞孔颖忍貙⒓婢咚俣取⒋笮『头€(wěn)定性。我們相信，未來它終將能夠為完全規(guī)?；牧孔佑嬎銠C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(dāng)今社會面臨的最復(fù)雜和最緊迫的挑戰(zhàn)。