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微软搞拓扑量子计算，是一场大乌龙？

来源：晰数塔互联网快讯时间：2021年02月23日 14:06

本文来自微信公众号：机器之心（ID：almosthuman2014），编辑：杜伟、魔王，原文标题：《微软拓扑量子计算梦碎？三年前Nature研究有误，未发现马约拉纳费米子》，头图来自：《蚁人》

2018 年 3 月，荷兰物理学家、微软员工 Leo Kouwenhoven 等人发表论文，称观察到了难以发现的粒子——马约拉纳费米子（Majorana fermion）。

论文链接：https://www.nature.com/articles/nature26142

马约拉纳费米子是一种费米子，它的反粒子就是它本身。1937 年，意大利物理学家埃托雷 · 马约拉纳发表论文假想这种粒子存在，因此而命名。许多科学家认为这种粒子是解决量子比特不稳定性的优质方案之一，并有望应用于拓扑量子计算机。

微软希望借助马约拉纳费米子构建量子计算机，当时 IBM 和谷歌已经利用更成熟的技术构建了不错的原型，Kouwenhoven 的这一发现使得微软有希望迎头赶上。微软量子计算业务开发负责人 Julie Love 曾表示，微软将“在五年内”构建商业化量子计算机。

然而三年过去，微软 2018 年的发现却被证明失败了。一月末，Kouwenhoven 和 21 位共同作者发表了一篇新论文，该论文纳入了更多实验数据。结论是，他们最终没有发现马约拉纳费米子。作者在附注中表示，此前发表在 Nature 上的文章将以“技术错误”为由撤回。

该领域两位物理学家表示，他们对该研究提出质疑后，Kouwenhoven 组提供的额外数据表明该团队移除了不符合其结论的数据点。匹兹堡大学教授 Sergey Frolov 表示，“我不知道他们在想什么，但他们跳过了一些与该论文观点相矛盾的数据。从更完整数据来看，毫无疑问他们没有找到马约拉纳费米子。”

相比于 Kouwenhoven2012 年的研究，这篇 2018 年的论文称发现了更坚实的证据表明马约拉纳费米子是存在的。这篇论文为 Kouwenhoven 及其在代尔夫特理工大学的实验室赢得了巨大声誉。该研究项目受到微软公司的部分资助，2016 年微软聘请 Kouwenhoven 研究马约拉纳费米子。

2018 年的这篇论文称，在通过极低温半导体线的电流中看到了马约拉纳费米子的存在信号——“零偏峰”（zero-bias peak）。

Frolov 表示，他在未公开数据中看到了很多问题，包括偏离主线但被论文忽略的数据点。如果纳入这些数据点，则结论完全不同——马约拉纳费米子并未出现。Frolov 的这一观察在 Kouwenhoven 上个月发布的新论文中有所提及，但并未解释之前删除这些数据点的原因。他们承认，试图通过实验验证特定的理论预测“有可能带来确认偏误，得到假阳性的证据”。

Sergey Frolov 发推质疑这项研究，详情参见 https://twitter.com/spinespresso。

Kouwenhoven 在一份声明中未作回应，因为重新解释其研究发现的新论文尚在同行评审阶段。他表示：“我们相信，规模化量子计算将有助于解决人类面临的一些巨大挑战，我们仍将继续投入量子计算领域。”

去年三月，Nature 为这篇 2018 年论文添加了“编辑关切声明”，不久前 Nature 发言人称“正与作者一道解决问题”。代尔夫特理工大学发言人表示，2020 年 5 月起该校科研诚信委员会已展开调查，目前尚未结束。一名熟悉流程的人士表示，最终调查报告可能是，代尔夫特理工大学科研人员犯了错误，但并非故意误导。

不管怎样，这一问题对微软的量子计算雄心带来了一定程度的挫败。顶尖的计算公司称，马约拉纳费米子技术将带来新的科学与工程突破，从而定义未来。

量子比特是量子计算机的基本信息单元。谷歌、IBM 和英特尔都已经展示了包含约 50 个量子比特的原型量子处理器，高盛和默克等公司也在测试这项技术。但是，有用的量子计算系统可能需要数千甚至数百万的量子比特。量子计算机的很大一部分能力可能必须专门用于纠正自身的故障。

微软则采取了一种截然不同的方法，声称基于马约拉纳粒子（Majorana particle）的量子比特具有更强的扩展性，从而实现飞跃式进步。然而，十多年过去了，一个此类量子比特也没有构建成功。

微软与马约拉纳费米子的“历史渊源”

马约拉纳费米子以意大利物理学家埃托雷 · 马约拉纳（Ettore Majorana）命名，他在 1937 年假设粒子应该以它们自身反粒子的奇特性质而存在。然而，直到 21 世纪，Kouwenhoven 实验室才发现了马约拉纳粒子。

埃托雷 · 马约拉纳

2004 年，微软研究人员找到公司技术战略主管 Craig Mundie，表示他们有办法解决阻碍量子计算机发展的一个难题，即量子比特的不稳定性。自此，微软开始对马约拉纳费米子产生兴趣。

研究人员利用理论物理论文，提出了一种构建更可靠、稳定量子比特的方法。这些所谓的拓扑量子比特基于不寻常的粒子构建，其中包括马约拉纳粒子，这些粒子可以在极低的温度下以电子簇的形式存在于材料内部。

之后，微软组建了一支由物理学家和数学家组成的新团队，旨在充实拓扑量子计算的理论与实践。该团队与顶级实验物理学家合作，并资助他们寻找构建这种新型量子比特所需的粒子。

Kouwenhoven 就是获得资助的物理学家之一。他 2012 年发表在 Science 上的一篇论文《Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices》提出了纳米线内马约拉纳粒子的“特性”。2016 年，微软更是加大了投资和宣传力度。

论文链接：https://science.sciencemag.org/content/336/6084/1003

Kouwenhoven 和哥本哈根大学的顶级物理学家 Charles Marcus 被聘任为马约拉纳粒子的“操盘手”（hunter）。他们计划首先检测这些粒子，然后发明更复杂的装置来控制它们，并使其发挥量子比特的作用。此前领导微软 Xbox 游戏硬件的 Todd Holmdahl 成为拓扑量子计算机项目的负责人。2018 年初，他对《巴伦周刊》表示，微软将于年底实现拓扑量子比特。一个月后，这篇如今备受争议的论文发表了。

微软与谷歌截然不同的量子计算发展之路

然而，当微软热衷于寻找马约拉纳粒子时，它的竞争对手们已经在现有量子比特技术的基础上稳步前进。2019 年，谷歌宣布实现量子优越性（quantum supremacy），开发了一个 54 量子比特的计算机——“Sycamore”，它可以在 200 秒内完成世界上最快超级计算机 1 万年才能完成的目标计算。

之后不久，微软似乎想要对冲量子计算赌注，宣布通过云服务 Azure 提供其他公司的量子硬件访问权限。之后，据《华尔街日报》报道，Todd Holmdahl 在错过了内部 deadline 之后离开了拓扑量子计算机项目。