微软突破技术限制,实现拓扑量子位元

微软Azure Quantum计划取得重大进展,该公司展示了拓扑量子位元(Topological Qubits)构建模块,这项技术是目前最有望,能构建出真正具有量子优势的量子计算机。Azure Quantum团队所设计的精密设备,能够由一对马约拉纳零模(Majorana Zero Mode,或称马约拉纳束缚态)引发物质的拓扑相位,进而产生不怕环境噪声的拓扑量子位元。

这项进展之所以令人惊艳,是因为量子激发通常不存在于自然界中,必须在极其精确的条件下,才能被引发出现。从1973年马约拉纳提出马约拉纳费米子(Majorana Fermion)假想以来,科学家一直试图创造或是观察该粒子激发现象,而直到最近,科学家意识到,马约拉纳零模可以用于保护量子消息,在实现可靠运算方面能发挥重要作用。

Azure Quantum团队现在能够产生拓扑相位,并测量拓扑间隙,进而量化相位的稳定性。研究团队解释,拥有以马约拉纳零模以及可测量拓扑间隙,来创造和维持量子相位的能力,消除了产生拓扑量子位元的最大障碍。微软量子机器便是使用拓扑量子位元来存储和计算信息。

全世界的科学家,无不致力于开发可用于解决复杂能力的量子计算机,但事实上,要真正能够解决现实中复杂问题的量子计算机,需要拥有一百万或是更多数量的量子比特,目前为止,基于量子逻辑门的量子计算机,使用的量子位元都不到130个,微软研究人员提到,当今许多量子位元技术都存在限制,难以达到足以支持商业量子应用的规模。

而这也是Azure Quantum专注于开发拓扑量子位元的原因,与当前其他类型的量子位元相比,拓扑量子位元更有希望,开发出速度更快、体积更小且不容易丢失消息的量子计算机,微软认为,创建更稳定的拓扑量子位元,将是构建工业规模量子机器最快的途径。

但是过去研究拓扑量子位元的科学家,都无法确定是否能运用量子物理,来创造拓扑量子位元,直到现在,微软的科学家完成了这项困难的目标,并且制造出能够产生拓扑相位的设备(下图),而在证明拓扑量子位元确实可行之后,微软便能倾全力推进该领域的研究。

微软提到,开发量子计算机的一大挑战,是当量子位元遇到热、偏离的次原子粒子或是磁场等环境噪声时,就很容易崩溃或是量子去相干(Quantum Decoherence)。当信息丢失,量子位元不再能够用于计算,错误便会开始产生,量子计算机此时需要投入更多不可靠的量子位元来纠正错误,研究人员举例,这种情况就像是在房间中,让盘子在筷子上旋转,一个小干扰就可能导致一个盘子变得不稳定,并开始撞到其他盘子。

拓扑量子位元内置保护机制,使其不会受到环境噪声影响,这代表执行有用运算和纠正错误所需要的量子位元应该少得多,而且拓扑量子位元还能够快速处理信息,体积也够小,在一个比信用卡上安全芯片更小的设备,可以容纳超过百万个拓扑量子。

创建拓扑保护的关键,在于将量子信息编码成一对实体分离的马约拉纳零模,这使得拓扑量子位元能够对环境噪声免疫,噪声并不能与消息相互作用或是破坏,要解锁量子信息的唯一方法,是同时查看两种马约拉纳零模的组合状态。

Azure Quantum团队开发出一种工艺方法,能够以高可控和原子等级的精确度,将半导体和超导体材料分层打印到设备上,在特定磁场和电压条件下,该设备可以产生具有一对马约拉纳零模的拓扑相位。

目前这项技术已经走出实验室理论,并通过反复试验,进入以模拟、设计和工程材料的实践阶段,但微软量子软件计划领导工程师Krysta Svore(下图)提到,在创建可扩展的量子计算机路上,还有更具挑战性的工作要完成。接下来研究团队的工作,还包括让拓扑间隙更强健稳定,并且能够纠缠马约拉纳构建模块来产生量子位元,而且使用量子位元处理有意义的消息,需要在比外太空更冷的温度下进行。

量子计算机理论上,可以利用量子物理特性,包括叠加、纠缠和干涉,以极短的时间,解决具有大量变量的问题,找出可能的解决方案。微软将使用拓扑量子位元技术,开发能够与Azure古典计算资源协同工作的量子计算机,该公司提到,先开发出商用量子加速器的公司,将拥有强大的竞争优势。

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