微软开发拓扑量子位的构建模块，探索基于拓扑量子位计算机

近日，微软宣布Azure Quantum项目团队已经开发出拓扑量子位的构建模块，能够生成拓扑相位，并测量拓扑间隙，从而量化相位的稳定性。这些技术突破将有利于实现拓扑计算，为基于拓扑量子位的计算机奠定基础。

用于测量拓扑间隙的设备，图片来自微软

目前，科学家正致力于研究复杂的化学与分子过程，以帮助解决人类社会面临的重大问题，例如如何减少大气中的温室气体，生产更优质的电池和可持续能源，增加土地的食物产量，以及减少水污染等。

即使传统计算机拥有庞大的计算能力，前述问题也超越了传统计算机的极限，目前需要数十年、甚至数亿年才能解决这些问题。然而，利用量子力学特性的量子计算机能够以全新的方式，未来实现大规模的信息处理。

“要让世界可持续发展，或解决气候变化的问题，就需要探索和优化分子，这是现今经典计算机无法完成的，而这正是量子计算机的作用所在。”微软量子公司副总裁Zulfi Alam表示，“我相信，我们需要量子计算的能力来实现这些（目标）。”

微软量子低温冷却系统，图片来自微软

量子产业目前正在寻求许多不同的方式来开发量子位。当量子位保持在最佳状态时，量子计算机就能在理论上利用量子力学的特性(如叠加、纠缠和干涉)，来解决一些包含很多变量的复杂问题，但目前还没有量子计算机能够完全达到这样的性能。

要建造一个商用型量子计算机，其量子位必须在三个维度上体现出良好性能，包括计算的可靠性、速度和大小。

但量子态本质上是极其脆弱和不稳定的，由于难以维持在一种状态，量子位往往无法可靠地执行计算。当量子位遇到磁场等环境噪声时，信息很容易丢失，一旦错误开始出现，量子计算机不得不投入更多量子位来纠正错误。

因此，微软团队表示，他们一直专注于开发拓扑量子位。由于它具有内置的保护功能，可以不受环境噪声影响，这意味着相比其它量子计算机，基于拓扑量子位的计算机在执行计算和纠正错误所需的量子位要少得多。团队推测拓扑量子位可以快速处理信息，甚至可以在一个比信用卡内置芯片还小的晶圆上，容纳一百多万个量子位。

实验人员在微软量子材料实验室进行研究，图片来自微软

基于二十年的投资与研究，Azure Quantum团队设计出一款设备，能够由一对马约拉纳零模(Majorana zero modes)引发物质的拓扑相位。而这样的量子激发态在自然界中通常不存在，必须在极其精确的条件下才能被引发出来。该团队开发出一种工艺过程，以高度精确控制的方式，将半导体和超导材料分层放置到一个设备上。在特定磁场和电压下，该设备可以产生一对马约拉纳零模的拓扑相位，以及可测量的拓扑间隙。

为了建立拓扑保护，量子信息可以被编码在一对物理上分离的马约拉纳零模中。这使得拓扑量子位对环境噪声更加免疫。当它遇到一种环境噪声时，该环境噪声不会与量子位中的信息交互或破坏信息。在这种模式下要获取量子信息，就必须同时观察两个马约拉纳零模的组合状态，以战略性的方式进行测量，既实现量子操作，又为量子位建立拓扑保护。

目前，该团队利用马约拉纳零模和可测量的拓扑间隙，建立了维持量子相位的能力，消除了制造拓扑量子位的最大技术障碍，将有助于未来微软量子计算机利用拓扑量子位来存储和计算信息。

“微软采取了这种非常冒险但回报很高的方法，试图制造一个理论上可以获得的最优质的量子位。但挑战在于，没有人在现实生活中真正见过马约拉纳零模，”微软量子材料实验室科学主任Peter Krogstrup说，“但现在我们已经做到了，这非常令人兴奋。我们将继续发展我们的工程技术，现在看来确实有一条通往大规模量子计算的道路。”