2025 年 2 月，微軟團(tuán)隊(duì)在 Nature 發(fā)表論文，介紹了他們?cè)谕負(fù)淞孔佑?jì)算方面的新進(jìn)展，雖有部分審稿人反對(duì)，但該研究展示的新技術(shù)仍具有突破性意義。目前拓?fù)淞孔佑?jì)算面臨諸多挑戰(zhàn)，但在國(guó)際上，特別是中國(guó)多個(gè)團(tuán)隊(duì)均有重要進(jìn)展。本文將簡(jiǎn)要介紹這些成果，展望拓?fù)淞孔佑?jì)算的未來(lái)走向。

撰文|劉東、劉鑫、何珂、張富春

最近，微軟研究團(tuán)隊(duì)在Nature上發(fā)表了一項(xiàng)研究“Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices” [Nature 638, 651 (2025)] 。這一消息在新聞媒體中得到了廣泛報(bào)道，同時(shí)也帶來(lái)了一些爭(zhēng)論。我們也注意到Nature公開(kāi)的信息顯示部分審稿人反對(duì)該論文的發(fā)表。實(shí)際上，該論文涉及在InAs–Al混合納米線器件中進(jìn)行的干涉單次奇偶費(fèi)米數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，展示了一種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，用于測(cè)量通過(guò)馬約拉納零模編碼的費(fèi)米子奇偶性，為拓?fù)淞孔佑?jì)算技術(shù)基礎(chǔ)的構(gòu)建邁出了關(guān)鍵一步。盡管這一實(shí)驗(yàn)尚未能直接驗(yàn)證納米線中馬約拉納零模的拓?fù)涮匦裕鼮榛谕負(fù)浔Ｗo(hù)的量子比特信息讀取技術(shù)奠定了重要基礎(chǔ)，有望在未來(lái)對(duì)容錯(cuò)量子計(jì)算發(fā)揮關(guān)鍵作用。此外，對(duì)于微軟在官網(wǎng)發(fā)布的Majorana 1的拓?fù)淞孔颖忍匦酒侣劯澹捎谄湮刺峁?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，無(wú)法做出科學(xué)評(píng)判，并不在本文討論之列。

拓?fù)淞孔佑?jì)算的挑戰(zhàn)

拓?fù)淞孔佑?jì)算作為量子計(jì)算領(lǐng)域的前沿方向，對(duì)于實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算在理論上具有巨大潛力，但在實(shí)際實(shí)現(xiàn)上面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的超導(dǎo)量子計(jì)算、中性原子量子計(jì)算、光子量子計(jì)算和離子阱量子計(jì)算不同，拓?fù)淞孔佑?jì)算的核心在于利用馬約拉納零模進(jìn)行量子信息的存儲(chǔ)和處理。馬約拉納零模是一種具有非阿貝爾交換統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的零能量準(zhǔn)粒子，其獨(dú)特的物理特性使其具有天然的拓?fù)浔Ｗo(hù)性和容錯(cuò)性，為構(gòu)建穩(wěn)健的量子比特提供了理論基礎(chǔ)。

微軟量子團(tuán)隊(duì)一直致力基于InAs–Al混合納米線體系進(jìn)行拓?fù)淞孔佑?jì)算研究。然而，基于該體系的馬約拉納零模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仍存在重大挑戰(zhàn)，納米線的電子遷移率不夠高，觀測(cè)到的零模有其他非拓?fù)錂C(jī)制的可能性。

在這一背景下，微軟團(tuán)隊(duì)提出了一種基于干涉的單次費(fèi)米子奇偶測(cè)量方法，這是一個(gè)很有意義的技術(shù)進(jìn)展，為拓?fù)淞孔颖忍氐脑O(shè)計(jì)和量子信息讀取提供了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)框架。需要注意的是，盡管這一方法展示了拓?fù)淞孔颖忍刈x取方案的可行性，但由于未能直接驗(yàn)證馬約拉納零模的存在，它在證明馬約拉納零模的拓?fù)涮匦苑矫娲嬖谝欢ǖ木窒扌浴?/p>

微軟團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與技術(shù)突破

微軟Nature論文的核心實(shí)驗(yàn)是，采用三量子點(diǎn)干涉儀架構(gòu)和射頻反射測(cè)量技術(shù)，通過(guò)量子電容測(cè)量實(shí)現(xiàn)單次費(fèi)米子奇偶性測(cè)量。這一測(cè)量方法可以實(shí)時(shí)捕捉量子點(diǎn)的奇偶性切換，通過(guò)對(duì)量子電容變化的干涉測(cè)量，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)費(fèi)米子奇偶性的精確讀取。通過(guò)這些測(cè)量，研究人員成功地測(cè)得了周期為h/2e的費(fèi)米子奇偶性切換信號(hào)，并觀察到毫秒級(jí)的翻轉(zhuǎn)時(shí)間，這是該領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要進(jìn)展。翻轉(zhuǎn)時(shí)間尺度與拓?fù)淞孔颖忍氐臏?zhǔn)粒子中毒事件密切相關(guān)，因此可以用來(lái)描述拓?fù)淞孔颖忍氐南喔尚运p。當(dāng)然，量子比特的壽命還可能受到馬約拉納零模之間的耦合和環(huán)境噪聲等其他因素的影響。

與過(guò)去的實(shí)驗(yàn)相比，微軟團(tuán)隊(duì)的貢獻(xiàn)在于突破了傳統(tǒng)的時(shí)間平均測(cè)量方法，成功實(shí)現(xiàn)了單次測(cè)量。在單次測(cè)量中，實(shí)驗(yàn)僅通過(guò)一次測(cè)量就能獲得所需的結(jié)果，而無(wú)需依賴時(shí)間平均，因此能夠大幅度提高測(cè)量速度和精度。這項(xiàng)技術(shù)突破使得高精度射頻測(cè)量能夠探測(cè)到非常微小的費(fèi)米子奇偶性變化，從而為拓?fù)淞孔颖忍氐淖x取測(cè)量提供了更清晰的方向，未來(lái)拓?fù)淞孔佑?jì)算系統(tǒng)能夠利用這一技術(shù)提高測(cè)量精度和讀取速度。

盡管該實(shí)驗(yàn)取得了顯著的技術(shù)進(jìn)展，但結(jié)果并未直接證明馬約拉納零模在納米線器件中的存在。正如一位審稿人所指出，盡管實(shí)驗(yàn)與馬約拉納模型高度一致，但仍無(wú)法排除非拓?fù)銩ndreev束縛態(tài)的可能性，因此學(xué)術(shù)界對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解讀仍存在爭(zhēng)議。

此外，根據(jù)微軟的設(shè)計(jì)方案，拓?fù)淞孔颖忍氐某叽巛^小，僅約5微米×3微米，因此在一塊1英寸大小的芯片上可容納百萬(wàn)級(jí)的物理量子比特，從而降低對(duì)芯片間遠(yuǎn)程互聯(lián)的需求。這樣一來(lái)，未來(lái)的拓?fù)淞孔佑?jì)算架構(gòu)可以更專注于芯片內(nèi)部的比特集成與操控，避免當(dāng)前大規(guī)模超導(dǎo)量子計(jì)算所面臨的芯片間互聯(lián)挑戰(zhàn)。

微軟團(tuán)隊(duì)成果的啟示

微軟團(tuán)隊(duì)在拓?fù)淞孔佑?jì)算領(lǐng)域取得的重要進(jìn)展，主要體現(xiàn)在單次奇偶性測(cè)量技術(shù)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)和新型器件設(shè)計(jì)優(yōu)化。該進(jìn)展雖然尚未確證馬約拉納零模的存在，但成功展示了拓?fù)淞孔酉到y(tǒng)可控性的顯著提升，不僅為量子計(jì)算提供了新的實(shí)驗(yàn)工具，也為未來(lái)的融合實(shí)驗(yàn)鋪平了道路。如果能夠?qū)崿F(xiàn)馬約拉納零模的直接觀測(cè)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其拓?fù)涮匦裕敲次④泩F(tuán)隊(duì)的這一進(jìn)展將加速拓?fù)淞孔颖忍氐膶?shí)現(xiàn)，為量子計(jì)算提供一個(gè)新的可能性。因此，未來(lái)拓?fù)淞孔佑?jì)算的研究應(yīng)集中在器件優(yōu)化、零能態(tài)穩(wěn)定性和更精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量上。

微軟之外的其他研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)展

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Kouwenhoven教授是利用納米線系統(tǒng)構(gòu)建馬約拉納零能模的研究先驅(qū)。近年來(lái)，他的團(tuán)隊(duì)探索了一種新方法，利用InSb半導(dǎo)體納米線中的量子點(diǎn)鏈構(gòu)建人工Kitaev鏈 [Nature 614, 445 (2023)] ，并成功觀測(cè)到了“窮人版 （poor man’s） ”馬約拉納態(tài)。 （在物理學(xué)文獻(xiàn)中，“窮人版”這一表述是一種自嘲式的學(xué)術(shù)命名，特指在資源有限或技術(shù)不完善條件下，通過(guò)簡(jiǎn)化/替代方案，在犧牲某些理想性質(zhì)的前提下實(shí)現(xiàn)核心物理效應(yīng)的研究方法。） 這一研究為拓?fù)淞孔佑?jì)算的可擴(kuò)展性奠定了重要基礎(chǔ)，并提供了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以進(jìn)一步探索非阿貝爾任意子及其相關(guān)物理。相比于傳統(tǒng)的納米線方案，Kitaev鏈方案降低了馬約拉納零能模的觀測(cè)難度，并拓寬了參數(shù)空間的探索范圍，有助于更深入地研究其現(xiàn)象學(xué)特征。然而，可調(diào)控參數(shù)的增加也帶來(lái)了一些實(shí)驗(yàn)上的新挑戰(zhàn)，例如系統(tǒng)的可擴(kuò)展性問(wèn)題。該方案在器件中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的多個(gè)馬約拉納態(tài)或構(gòu)建拓?fù)淞孔颖忍孛媾R更嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。

中國(guó)在基于納米線的拓?fù)淞孔佑?jì)算方面的進(jìn)展

盡管中國(guó)在納米線拓?fù)淞孔佑?jì)算領(lǐng)域起步較晚，但近期在合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和北京市科委的大力支持下，清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、北京量子信息科學(xué)研究院、中國(guó)科學(xué)院物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域，特別是在最關(guān)鍵的納米線材料和器件優(yōu)化上，已取得了一些重要成果。

在InAs-Al納米線拓?fù)淞孔佑?jì)算的研究方面，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所潘東和趙建華團(tuán)隊(duì)自2011年起致力于高質(zhì)量半導(dǎo)體-超導(dǎo)納米線的可控制備研究。該團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)在Si襯底上外延出高質(zhì)量純相超細(xì)單晶InAs納米線，隨后發(fā)展了低溫原位外延技術(shù)，在InAs納米線側(cè)壁成功外延超導(dǎo)金屬Al，且InAs與Al均具備高晶體質(zhì)量，界面平整度達(dá)原子級(jí)。與清華大學(xué)合作，團(tuán)隊(duì)首次探索了馬約拉納納米線研究中的一個(gè)新實(shí)驗(yàn)維度——更細(xì)的納米線直徑，這為實(shí)現(xiàn)單一子能帶占據(jù) （從準(zhǔn)一維到一維） 奠定了基礎(chǔ)。此外該團(tuán)隊(duì)在提高InAs-Al納米線材料和器件質(zhì)量后，成功觀測(cè)到量子化零偏壓電導(dǎo)峰，并在電導(dǎo)平臺(tái)附近 （5%精度范圍內(nèi)） 觀察到量子化現(xiàn)象，是近期納米線量子器件中的重要進(jìn)展之一。

近年來(lái)，清華大學(xué)何珂團(tuán)隊(duì)及其合作者研究了一個(gè)新的馬約拉納納米線候選體系——IV-VI族半導(dǎo)體PbTe-超導(dǎo)雜化納米線，受到了廣泛關(guān)注，并取得了快速的研究進(jìn)展。PbTe在低溫下具有較大的介電常數(shù)，能夠有效屏蔽缺陷電荷的影響，同時(shí)，它與高質(zhì)量商業(yè)化襯底CdTe具有良好的晶格匹配。這些優(yōu)勢(shì)使得PbTe有潛力突破納米線樣品質(zhì)量提升的瓶頸，成為研究馬約拉納零能模和拓?fù)淞孔佑?jì)算的理想平臺(tái)。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)展出了平面PbTe納米線和PbTe-超導(dǎo)納米線的規(guī)模化制備技術(shù)，所制備的PbTe納米線在超過(guò)1.7微米的長(zhǎng)度范圍內(nèi)表現(xiàn)出電子彈道輸運(yùn)，表明樣品質(zhì)量極為優(yōu)異。最近，他們?cè)谄矫鍼bTe-超導(dǎo)器件中成功觀測(cè)到了穩(wěn)定存在且電導(dǎo)接近量子化的零能電導(dǎo)峰，表明該材料體系已經(jīng)滿足進(jìn)行馬約拉納零能模三端實(shí)驗(yàn)以及構(gòu)建拓?fù)淞孔颖忍仄骷臈l件。未來(lái)幾年，該體系有望為觀察馬約拉納零能模的確定性實(shí)驗(yàn)證據(jù)并實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔颖忍靥峁┯辛χС帧Ｖ袊?guó)科學(xué)院物理研究所呂力和沈潔團(tuán)隊(duì)及其合作者發(fā)展了超導(dǎo)/III-V族半導(dǎo)體的界面優(yōu)化工藝，在鉛-銻化銦納米線等器件中觀測(cè)到較強(qiáng)的超導(dǎo)近鄰效應(yīng)。

中國(guó)在基于馬約拉納渦旋態(tài)拓?fù)淞孔佑?jì)算方面的研究進(jìn)展

在國(guó)際上，中國(guó)團(tuán)隊(duì)最早開(kāi)展研究馬約拉納渦旋態(tài)研究，并在該領(lǐng)域保持世界領(lǐng)先地位。上海交通大學(xué)李政道研究所賈金鋒團(tuán)隊(duì)和丁洪團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所高鴻鈞團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科技大學(xué)封東來(lái)與復(fù)旦大學(xué)張童聯(lián)合團(tuán)隊(duì)等分別最早在超導(dǎo)/拓?fù)浣^緣體異質(zhì)結(jié)和鐵基高溫超導(dǎo)中觀測(cè)到馬約拉納渦旋態(tài)信號(hào)。

近年來(lái)，該方面研究得到合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院和上海市科委的大力支持，加速了馬約拉納渦旋態(tài)相關(guān)研究的關(guān)鍵性進(jìn)展。近期，丁洪團(tuán)隊(duì)和高鴻鈞團(tuán)隊(duì)基于FeSeTe和LiFeAs等鐵基超導(dǎo)材料發(fā)展了應(yīng)力調(diào)控馬約拉納渦旋態(tài)技術(shù)，制備了高質(zhì)量鐵基超導(dǎo)量子器件 （例如鐵基超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)） ，并規(guī)劃了基于鐵基超導(dǎo)納米線的拓?fù)淞孔佑?jì)算路線。這些研究將基于鐵基超導(dǎo)拓?fù)淞孔佑?jì)算研究推進(jìn)到關(guān)鍵的量子器件層面，為在未來(lái)幾年驗(yàn)證馬約拉納渦旋態(tài)的非阿貝爾統(tǒng)計(jì)屬性和實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔颖忍靥峁┝藞?jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和路線指引。

結(jié)束語(yǔ)

總的說(shuō)來(lái)，微軟團(tuán)隊(duì)的這一成果代表了拓?fù)淞孔佑?jì)算領(lǐng)域的一次重要技術(shù)突破。盡管當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還無(wú)法完全確認(rèn)馬約拉納零模的存在，但新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為拓?fù)淞孔佑?jì)算的發(fā)展提供了新的視角和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。拓?fù)淞孔佑?jì)算的核心優(yōu)勢(shì)在于天然的拓?fù)浔Ｗo(hù)機(jī)制帶來(lái)的內(nèi)稟量子信息錯(cuò)誤糾正，這使其在容錯(cuò)量子計(jì)算方向具有獨(dú)特潛力。未來(lái)，隨著材料和器件優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)方法的不斷進(jìn)步，拓?fù)淞孔佑?jì)算有望成為量子計(jì)算的一個(gè)重要方向，并在容錯(cuò)量子計(jì)算領(lǐng)域發(fā)揮作用。拓?fù)淞孔佑?jì)算仍處于發(fā)展的初期階段，但這一進(jìn)展無(wú)疑為未來(lái)的量子計(jì)算架構(gòu)提供了極具前景的技術(shù)基礎(chǔ)。

2025年2月23日

本文轉(zhuǎn)載自《返樸》微信公眾號(hào)

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