微软“划时代”量子计算芯片受科学家质疑，拓扑量子离应用还有多远｜新科普
微软“划时代”量子计算芯片受科学家质疑，拓扑量子离应用还有多远｜新科普
“核弹级成果！”“标志着量子计算领域迈出了划时代的一步！”昨天，关于微软公司发布“Majorana 1”量子计算芯片的新闻在网上热传，很多报道充满了溢美之词。微软首席执行官萨提亚·纳德拉在社交平台上写道：“我们相信，这一突破将使我们能创造出真正意义上的量子计算机，不是像有些人预测的需要几十年，而是几年。”
量子计算机被誉为科学的“圣杯”，在材料设计、药物发现、组合优化等专业领域具有远超经典计算机的潜力，全球很多科研团队在这一前沿领域进行探索。目前，还没有一款量子计算机进入商业应用阶段。
微软的“Majorana 1”芯片是否意味着这种未来计算机即将成熟？多位科学家给出了倾向否定的观点。
多位科学家对微软成果持谨慎态度
德国亥姆霍兹研究中心的物理学家文森特·穆里克说：“从根本上讲，微软追求的基于拓扑马约拉纳（Majorana）量子比特构建量子计算机的方法是行不通的。”与穆里克否定微软的技术路线不同，奥地利克洛斯特新堡科学与技术研究所的物理学家乔治斯·卡察罗斯表示：“在没有看到关于量子比特操作的更多数据情况下，我没什么可评论的。”
复旦大学物理学系教授李晓鹏也觉得，这项科研成果有夸大宣传之嫌。“我看到报道上说，微软未来将把100万个量子比特塞进一颗芯片，但我怀疑他们连1个量子门也没实现。”他在看了微软团队发表在《自然》杂志上的论文后说：“他们在文章中承认，还不确定通过干涉测量检测到的低能态是否具有拓扑性质。”
微软发布的“Majorana 1”量子计算芯片
虽然有夸大宣传之嫌，但微软在过去近20年里持续研发拓扑量子计算，相关论文昨天登上《自然》，也实属不易。李晓鹏介绍，量子计算机研发有多条技术路线，如超导、光量子、离子阱、中性原子、半导体离子点。拓扑是其中一条技术路线，目前总体上处于基础研究阶段，离实现应用还有很长距离。因此，微软昨天宣布“这一突破将使我们能创造出真正意义上的量子计算机，不是像有些人预测的需要几十年，而是几年”，着实让一些科学家感到不可思议。
据了解，微软拓扑量子团队在成果发布上一直比较激进。去年，他们将一篇论文投给国际顶级科学期刊，被拒收后，又投给美国物理学期刊《物理审查B》，结果也被拒收。令科学界惊讶的是，这家大企业科研团队让律师介入，要求《物理审查B》刊登他们的论文。在法律压力下，论文终于发表。
拓扑量子计算芯片有何独特性能
微软发布拓扑量子计算芯片后，很多网民“不明觉厉”，问什么是拓扑量子计算？上海交通大学李政道研究所讲席教授、中国科学院院士丁洪解释，数学中有一个名为“拓扑不变量”的概念。比如一个橡皮圈，无论如何拉伸或扭曲它，只要不将其剪断，它始终保持一个闭环的本质特征，这就是“拓扑不变量”。
“拓扑不变量”示意图（来源：Robert Brook/Science Photo Library）
在量子计算机领域，科学家借鉴“拓扑不变量”思路，把量子信息编码在具有拓扑特性的系统中，并通过“编织”操作处理这些信息。“在拓扑量子计算系统里，2条长度为微米级的纳米线可以编码1个拓扑量子比特，就像我们在生活中编织两条丝线一样。”李晓鹏说。
研发量子计算机的一大难点，是微观世界中的量子比特十分脆弱，容易受外界扰动影响，导致计算出错。与其他量子计算技术路线相比，拓扑量子计算的最大优势，是即使在操作过程中出现轻微的扰动（比如“编织”纳米线时抖了一下），只要不破坏“编织”的基本模式，计算结果就不会受到影响。
根据这一基本原理，微软研制出“Majorana 1”量子计算芯片。之所以取名“Majorana”，是因为他们使用“马约拉纳任意子”作为纳米线两端的粒子。1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳提出猜想：可能存在一种特殊的基本粒子，它就是它自己的反粒子。在微观世界里，通常一种粒子会对应一种反粒子，就像电子和正电子是一对。而马约拉纳费米子打破了这个规则——它“照镜子”时看到的反粒子，就是它自己。
马约拉纳费米子的正粒子=反粒子（来源：上海科技馆）
丁洪介绍，科学家发现在“拓扑超导体”这类特殊材料中，可以创造出一种具有马约拉纳费米子特性的准粒子“马约拉纳任意子”。这种准粒子不是基本粒子，而是材料中电子的集体行为表现。就像水波不是基本粒子，而是水分子集体运动的结果。在拓扑超导体中，“马约拉纳任意子”具有“拓扑不变量”的特性，即使材料形状或外部环境发生局部变化，这种特性依然能保持稳定，所以是构建量子计算机的理想选择。
在拓扑量子计算领域，丁洪团队发现“铁基超导体”具有特殊的拓扑性质，可以容纳“马约拉纳任意子”。借助扫描隧道显微镜，他们已在这种材料中观察到“马约拉纳任意子”。这位院士说：“如果我们未来能学会控制和编织这些粒子，就可以制造出量子计算机的基本单元——拓扑量子比特。这将是推动量子计算机发展的重要一步！”