微軟放大招！釋出全球首個拓撲量子晶片，卻遭質疑：兩度撤稿的團隊能上演科學奇蹟嗎

來源：光子盒

作者：光子盒

繼谷歌Willow之後，微軟再放大招！

2月19日，微軟推出了一款革命性的新型量子晶片——Majorana 1。微軟表示，這將“把實現實用容錯計算的時間從幾十年縮短至短短幾年”。這款晶片以難以捉摸、其存在常遭質疑的準粒子（馬約拉納費米子）命名，它具備諸多顯著優勢，包括固有的容錯性、理論上的穩定性和較長的相干時間。相關論文於當日發表於《Nature》。

微軟稱這款新裝置為“世界上首個拓撲超導體”，這是一種突破性的材料，能夠觀測和控制馬約拉納粒子，進而製造出更可靠、可擴充套件的量子位元，而量子位元正是量子計算機的基石。微軟表示，在單個馬約拉納晶片上整合一百萬個量子位元是可行的。

圖：Majorana 1

來源：微軟

近17年來，在行業的諸多質疑聲中，微軟一直在探索神秘的馬約拉納費米子。如今的成果是其高風險高回報專案的收穫，或許也為大規模容錯量子計算開闢了一條更清晰的道路。

隨著鋪天蓋地的媒體頭條一同抵達戰場的，還有不少業內專家的質疑聲——

世界上首個由拓撲核心驅動的量子處理單元

微軟量子硬體技術研究員兼企業副總裁Chetan Nayak發表部落格介紹了這項工作和新裝置。他特別介紹了微軟團隊的以下新進展：

Majorana 1

世界上首個由拓撲核心驅動的量子處理單元（QPU），旨在實現單個晶片上整合一百萬個量子位元。

硬體保護的拓撲量子位元

當天發表於《Nature》雜誌的研究成果，以及本週在量子計算研究中心（Station Q）會議上分享的資料表明，利用新型材料設計出一種截然不同的量子位元成為可能，這種量子位元體積小、速度快，且可數字控制。

可靠量子計算的裝置路線圖

微軟團隊於2月17日在arXiv平臺發表《使用拓撲量子位元陣列進行容錯量子計算的路線圖》，詳細描述了從單量子位元裝置到支援量子糾錯的陣列的發展路徑。

DARPA支援，打造世界首個基於拓撲量子位元的容錯原型機（FTP）

微軟表示“將在幾年（而非幾十年）內打造出可擴充套件量子計算機的容錯原型機”，這也是美國國防部高階研究計劃局（DARPA）計劃的一部分。微軟是受邀進入DARPA公用事業規模量子計算未充分開發的系統（US2QC）計劃最後階段的兩家公司之一（另一家為光量子計算公司PsiQuantum），該計劃構成了DARPA更大的量子基準測試計劃。這項計劃旨在提供業界第一臺公用事業規模的容錯量子計算機，或者計算價值超過其成本的量子計算機。

圖：材料堆疊與電子顯微影像。a. 柵極定義的超導奈米線器件設計的橫截面。b. 掃描電子顯微鏡影像，其中鋁帶（藍色）、第一柵極層（黃色）和第二柵極層（紫色）以偽彩色標出。比例尺為1微米。

來源：Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices

Nayak強調：“今天所有的成果都建立在我們團隊最近的突破之上：世界上首個拓撲超導體。這類具有革命性的材料使我們能夠創造出拓撲超導性，這是一種此前僅存在於理論中的新物質狀態。進展源於微軟在柵極定義器件的設計與製造方面的創新，該器件將半導體砷化銦和超導體鋁結合在一起。當冷卻至接近絕對零度並透過磁場進行調節時，這些器件會形成拓撲超導奈米線，在奈米線的兩端產生馬約拉納零模（MZMs）。”

馬約拉納費米子是一種準粒子或特殊的物質狀態，它對會導致量子計算機出錯的環境噪聲具有固有抗性。基於馬約拉納費米子的量子位元被稱為拓撲量子位元，大致來說，這意味著資訊（0和1）在空間中分佈（編織），使其對噪聲（熱、電磁干擾等）的敏感性降低。

“近一個世紀以來，這些準粒子僅存在於教科書裡。如今，我們能在拓撲超導體中按需創造並控制它們。馬約拉納零模是我們量子位元的基本組成部分，透過‘宇稱’（即奈米線中電子數的奇偶性）來儲存量子資訊。一個未配對電子由一對馬約拉納零模共享，使其不會被外界環境‘察覺’，這種獨特性質保護了量子資訊。”

圖：Chetan Nayak

來源：微軟

量子科學中心主任Travis Humble表示：“微軟的成果是量子計算領域的重要進展。他們展示了在拓撲超導奈米線設計中進行宇稱測量的成果。這是驗證拓撲保護的第一步，後續還需要更多工作來證明預期的非阿貝爾統計特性。我認為這些最新成果將推動拓撲量子計算領域的發展。”

對此，清華大學物理系劉東副教授認為，這是一項“很出色的進展”，但要構建拓撲量子位元，需要先在器件上做直接Majorana現象學驗證，然後再讀取資訊，只有這樣學術界才會更加認可。相對於超導量子計算、中性原子量子計算和離子阱量子計算而言，拓撲量子計算尚未到實用化的討論階段，需要持續投入，有可能在未來容錯量子計算階段起到作用，器件最佳化可作為未來的一個可能突破點。

需要牢記的是，量子糾錯仍然不可或缺，微軟在其路線圖論文中詳細闡述了在其架構中實現量子糾錯的方法。

撤稿事件&重大突破：微軟面臨兩大質疑——

除了鋪天蓋地的媒體讚譽外，社交媒體上也出現了出一些業內專家質疑的聲音。

John Preskill是量子資訊科學領域的知名科學家，他創造了“含噪聲中等規模量子”（NISQ）“量子霸權”（quantum supremacy）等當前廣為人知的量子計算概念。Majorana 1釋出後，他在X上發文表示：“目前沒有公開證據表明該測試已成功執行，希望我們很快能聽到更多訊息”。

來源：X

此外，Preskill還轉發了加州理工學院理論物理學教授Jason Alicea的觀點。“我質疑微軟是否真的構建了拓撲量子位元。原則上，拓撲量子位元是可行的，而且大家都認同這是一個值得追求的目標，”Alicea博士表示，“不過，你必須驗證一個裝置是否能以理論所預測的所有奇妙方式執行；否則，對於量子計算而言，現實情況可能就沒有那麼樂觀了。幸運的是，微軟現在已經準備好去嘗試了。”

還有一些更加激進的聲音，聲稱微軟在進行“科學欺詐”，將不可靠的物理主張升級至量子位元層面。

質疑1：微軟拓撲量子計算團隊的撤稿風波

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故事要從兩次撤稿說起。

2021年3月，當時的微軟員工、代爾夫特理工大學（TU Delft）Leo Kouwenhoven研究團隊主動要求將2018年的一篇論文從《Nature》撤稿，原因是“技術錯誤”。那篇發表於2018年的論文曾轟動一時——被認為最終找到了馬約拉納費米子存在的確鑿證據，為更先進的拓撲量子計算鋪平了道路。

然而，該論文卻受到質疑，經邀請的同行知名專家獨立調查後被證實存在樣本質量虛報、選擇性資料採集、分析過程人為操控等操作，且結論並不成立。

2022年4月，Kouwenhoven團隊的論文再次被《Nature》撤稿，原因是“關鍵資料遺漏”。

在第一次撤稿中發起調查的匹茲堡大學物理學家Sergey Frolov曾發文表示：“一系列的錯誤開始之後，馬約拉納研究領域有相當一部分人在自欺欺人。一些聲稱發現了馬約拉納粒子的關鍵實驗，最初被認為是突破性的，但尚未得到證實。”

質疑2：拓撲量子位元主張缺乏科研基礎支撐

有研究者認為，拓撲量子位元的優勢“最多停留在理論假設層面”。

Sergey Frolov表示：“拓撲量子位元的理論基礎建立在馬約拉納費米子這一未被充分驗證的物理概念之上。科學界至今仍在探索其製備與檢測方法，但微軟卻宣稱‘已實現近十年的馬約拉納粒子操控’。”

“微軟關於拓撲量子位元的宣告基於存在根本缺陷的馬約拉納粒子識別方案，該方案濫用非定域性測量技術偽造所需的‘能隙’引數。所有技術突破均建立在不可靠的材料科學與納米制造進展宣告之上。即便採信其表面資料，最新論文仍無法提供量子位元存在的實質證據。”

微軟的下一步？“預計可擴充套件的量子計算機將在幾年內問世”

據介紹，微軟的拓撲量子計算路線圖涵蓋四代裝置：一款單量子位元裝置，支援基於測量的量子位元基準測試協議；一款雙量子位元裝置，利用基於測量的編織操作來執行單量子位元Clifford門操作；一款八量子位元裝置，用於展示在邏輯量子位元而非直接在物理量子位元上執行雙量子位元操作時的效能提升；以及一個拓撲量子位元陣列，支援在兩個邏輯量子位元上進行晶格手術演示。

圖：利用tetrons實現容錯量子計算的路線圖

來源：Roadmap to fault tolerant quantum computation using topological qubit arrays

創造和控制馬約拉納費米子只是挑戰的一部分——開發一種實用的量子位元測量和讀取方法同樣具有挑戰性。微軟的研究人員開發出一種干涉測量方法，該方法在《Nature》的論文中有所描述，可實現單次費米子宇稱測量。

這種讀取技術為量子計算帶來了一種截然不同的方法，即透過測量來進行計算。傳統量子計算透過精確的角度旋轉量子態，這需要為每個量子位元定製複雜的模擬控制訊號。這使得量子糾錯（QEC）變得複雜，因為量子糾錯必須依賴這些同樣敏感的操作來檢測和糾正錯誤。

基於測量的方法極大地簡化了量子糾錯。微軟團隊完全透過由簡單數字脈衝啟用的測量來進行糾錯，這些數字脈衝用於連線和斷開量子點與奈米線。這種數字控制使得管理實際應用所需的大量量子位元變得可行。

顯然，微軟對基於超導量子位元的拓撲量子計算機寄予厚望。微軟認為其拓撲超導體是一種兼具可擴充套件性、速度和抗錯性的理想方案。

研究人員在路線圖論文中寫道，對於一臺具有數百（甚至數千）個邏輯量子位元、能夠解決商業相關問題的實用規模量子計算機而言，這裡提出的量子位元方案具有幾個關鍵優勢：

1.單個量子位元面積約為 5μm×3μm，這使得在單個晶圓上整合數百萬個量子位元成為可能；

2.物理操作可在微秒時間尺度上完成，從而將實用規模計算的執行時間縮短至數小時到數天的範圍；

3.拓撲保護能夠系統地、指數級地降低許多誤差機制，比如在無量綱引數比中，如拓撲能隙與溫度的比值∆/kBT，以及奈米線長度與拓撲相干長度的比值 L/ξ。”

時間會給出答案。

Majorana 1目前仍處於研究階段。在回覆一封電子郵件詢問時，微軟表示：“我們預計可擴充套件的量子計算機將在幾年內問世，而非幾十年。”

Hyperion Research研究高階副總裁兼首席量子分析師Bob Sorensen表示：“與微軟同Atom Computing、Quantinuum和Photonic的合作模式相比，這次是微軟真正自主開展的工作。他們的內部開發實驗室令人印象深刻，有能力處理設計和構建可用量子計算元件所需的大部分生產工作。”