“天使粒子“再现有力证据，我们距造出量子计算机近在咫尺了吗？

在代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）的微软公司（荷兰）研究中心，“量子冰箱”的这几支大圆柱形金属管引人注目，其中每支管都用于将回路冷却到比外太空更冷的温度，成本超过50万美元。该装置帮助微软的研究人员制出了Majorana费米子，而微软则希望将其作为其量子计算计划的一部分， 以此制造出真正意义上的量子计算机。

根据已经在《Nature》杂志上发表了的研究，目前已明确的证据表明Majorana费米子（马约拉纳零模）的存在。它是一种基本粒子，并是自己的反粒子，也被称为“天使粒子”。

图丨微软研究所中为纳米级电路而建的无尘室

Majorana费米子的独特性质意味着它们可以被用以制造错误率更低的量子计算机，甚至是制造出可以推向市场的成品。而目前，其他公司的设计都存在因计算错误率过高而无法被实用的情况。

微软目前正在尝试用Majorana费米子来制备量子位。微软首席执行官Satya Nadella曾表示，量子计算是三项突破性技术之一（其他两项则分别是人工智能和增强现实） ，在这些领域有所作为对公司的未来至关重要。在量子计算行业，微软最终希望能实现通过其云计算网络将量子计算机租用给需要企业以获取利润。

但微软已经在这场量子争霸赛中已经处于不利位置。D-Wave Systems Inc.在2011年成为第一家销售量子计算机的公司，谷歌和IBM则拥有被认为是目前最为接近实现“量子优势”的设备。

图丨 “量子冰箱”在计算所需的超低温度下保持量子位

而相比之下，虽然微软已投入大量资源证明了使用Majorana费米子来构建性能更佳的量子计算机是可行的，但它尚未制造出一个可以工作的计算设备。

Majorana费米子的概念由意大利理论物理学家Ettore Majorana于1937年提出，但研究人员在2012年才有观测证据表明这类独特的费米子确实存在。虽然这些早期的实验存在漏洞，导致有些科学家认为这些观测结果可能是由其他现象所引起的，而并非Majorana费米子，但在新的论文中，微软的科学家提供了更为清晰的数据。

在冷却装置旁边，微软团队正在使用150磅的磁体尝试操控制Majorana费米子来出量子位。目前担任微软首席科学家的物理学家Leo Kouwenhoven承认，使用磁铁是一把双刃剑，因为它们的体积和质量会给实验增加难度。但Kouwenhoven表示，微软认为它所制造出的量子计算设备的精确度将比现有的任何设备高1000至10000倍。

Kouwenhoven说，研究团队的目标是在今年年底前使用Majorana费米子制出一个可以工作量子位。在安装冰箱的地板上，年轻的研究生坐在分析彩色图形显示器的电脑上，这些显示器显示冰箱内部电路发生了什么。虽然前景很美好，但在高磁能级下获得准确的测量结果很难。到目前为止，实验室还没能看到由Majorana费米子构成的系统向拓扑阶段过渡的证据。

根据最近《Nature》刊登的微软量子计算科研团队论文，他们已经找到了存在确定证据。根据马约拉纳对称性理论的预测，马约拉纳费米子的反粒子即是其本身，这导致马约拉纳零模的隧穿谱在差分电导中表现为一个零偏峰，而且峰值是量子化的，为2e^2/h。因此，隧穿谱是寻找马约拉纳零模存在的一个非常重要的手段。

在以往的实验中，研究人员观测到的峰值均大幅小于2e^2/h，直到最近才有接近2e^2/h的报道。而最新文章显示，研究人员在基于超导铝屏蔽的锑化铟导线系统中观测到了幅值为2e^2/h的隧穿谱强度，而且这个幅值在更改参数的情况下保持不变，更是证明了其量子化的特性。

研究人员通过改变电场、磁场和温度的影响来探测系统的鲁棒程度，进一步排除了其他的可能性，实验结果有力的证明了马约拉纳零模的存在，这个实验结果为后续拓扑量子计算机的实现奠定了重要的基础。

但同时也要看到，这个结果仅仅宣布了在实验中构造拓扑量子比特的可能性，这离实现拓扑量子计算机还很远，还需要解决对于拓扑量子比特的编织操作等一系列的问题。如前面提到的，拓扑量子计算机的主要的技术难点在前期，反而到了后面量子比特容错部分难度较小，因此，这个实验结果对微软来说还是很有意义的。

另外，虽然理论是站在了Kouwenhoven的这边，但微软的竞争对手们同样在推动基于其他技术的量子计算机的商业化。

不同于 IBM 和 Google 在超导量子计算机方面的研究，微软把决胜量子计算的宝押在了Majorana费米子这种局域化准粒子上。采用这种准粒子形成的拓扑量子比特具有极低的错误率，不需要通过大数量的量子比特来进行容错，可以以“一”（拓扑量子比特）敌“百”（其他类型的量子比特），利用少量数目的量子比特来实现通用型量子计算机。但遗憾的是，这种“天使粒子”目前还仅存在于理论中，科研人员甚至还没有确定的证据来证明他们在实验中发现了这种理论上预测的“天使粒子”。

微软目前拥有一支由来自世界各国的科学家所构成的研究团队，为其位于美国，荷兰，丹麦和澳大利亚的实验室工作。目前负责该项目的人是微软最富有经验的高管之一Todd Holmdahl，之前曾负责Xbox游戏机和HoloLens增强现实护目镜项目。 Holmdahl在去年11月接受采访时曾表示，微软计划在五年内在市场上推出可用的量子计算机。

而在代尔夫特大学的研究室也同样可以被其他想要从别的方向制造量子计算机的研究人员使用，其中包括一支由竞争对手Intel资助的团队。