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发现马约拉纳费米子存在证据,微软在构建量子计算机上又迈出一步

[日期:2018-03-30] 来源:雷锋网  作者: [字体: ]

雷锋网(公众号:雷锋网)AI 科技评论按:北京时间 3 月 29 日凌晨,微软宣布了一个激动人心的消息:荷兰代尔夫特理工大学的微软研究员通过由半导体材料和超导材料制作的纳米线材,发现马约拉纳费米子(Majorana fermion)的存在证据。这意味着微软在构建量子计算机的道路上又迈进了一步。

马约拉纳费米子是一种费米子,其反粒子(质量相同,电荷等其他量子性质相反)为它本身,所以马约拉纳费米子呈电中性,且很少与其他粒子相互作用,这些属性或许使其成为一种更稳定的量子信息编码方式。

微软早在 2005 年就已经开始钻研量子计算技术。在当时微软还悄悄成立了「Station Q」实验室,负责人是数字家 Michael Freedman。同年微软的一支研究团队就提出了一种在半导体-超导体混合结构中建造拓扑保护量子比特的方法。微软随后投资了数个团队进行尝试。他们近期的论文(以及贝尔实验室的一项独立研究)显示了关键的任意子以电流的模式进行移动的「征兆」。

在 2016 年,微软宣布计划斥巨额资源开发量子计算机的原型产品,与 IBM 和谷歌等科技巨头一同分这杯羹。

在研究上,微软的选择甚至更遥远:研究基于非阿贝尔任意子(nonabelian anyons)的拓扑量子比特。这些所谓的任意子事实上并不是物体,而是一种具有物质特性的准粒子。它们的量子态由不同交叉路线(braiding paths)来表现。交叉路线的形状导致了量子叠加,它们会受到拓扑保护(topologically protected)而不至于崩溃,这类似于打结的鞋带不会散开。

继本次发现 Majorana 粒子存在证据的研究之后,微软下一步会将费米子转化为量子,并希望在今年年底实现这一目标,在 5 年内向其他企业提供可用的量子计算机。

微软的这一论文已经刊登在《Nature》上,雷锋网 AI 科技评论编译如下:

Majorana 零模是一种局部化的准粒子,对于拓扑量子计算来说具有很大的前景。其中电传输中的隧道谱是识别 Majorana 零模存在的主要工具,例如作为微分电导中的零偏压峰。在绝对零度且通用电导值为 2e/ h(其中 e 是电子的电荷,h 是普朗克常数)的条件下,作为 Majorana 对称(majorana 粒子的反粒子是其本身)的直接后果,零偏压峰的高度将会出现量子化。Majorana 对称性能够保持量子化免受无序、相互作用和隧道耦合变化的影响。

先前的大多数实验中,显示零偏压峰值远小于 2e2/h,最近的一个实验观察显示其峰值高度接近 2e2/h。而在这里,我们在覆盖有铝超导层的铟锑化合物半导体纳米线上测量的零偏压电导,显示有一个 2e2/h 的量子化的电导平台。尽管调整磁场和隧道耦合的参数后,我们的零偏压峰值的高度仍然保持不变,这表明这确实是一个量子化的电导平台。

此外,我们还通过调查它对电场、磁场以及温度的鲁棒性,排除了可能会导致这个量子化零偏压峰的非 Majorana 源。对量子化电导平台的这个观察强有力地支持了系统中 Majorana 零模的存在,这为将来可能导致拓扑量子计算的 braiding 实验铺平了道路。

BAT 的量子计算研究进展

百度:成立量子计算研究所

2018 年 3 月 8 日,百度宣布成立量子计算研究所,悉尼科技大学量子软件和信息中心创办主任段润尧教授出任百度量子计算研究所所长,直接向百度总裁张亚勤汇报。

依靠「百度量子、量子百度」的研究规划,百度计划在五年内组建世界一流的量子计算研究所,并逐步将量子计算融入到百度业务中。

阿里:最早布局,2017 年联合研发光量子计算机

阿里巴巴从 2015 年开始就关注量子计算,并和中科院合作成立了亚洲首个量子计算实验室。

2017 年 3 月,阿里云公布了全球首个云上量子加密通讯案例,通过建立多个量子安全传输域,为客户提供无条件安全数据传输服务。

2017 年 5 月,中科大、中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室、浙江大学、中科院物理所等协同完成参与研发了世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机。

期间,世界知名量子计算科学家、密歇根大学终身教授施尧耘和匈牙利裔美国计算机科学家马里奥•塞格德先后加入阿里云量子实验室。

2018 年 2 月,中科院量子信息与量子科技创新研究院与阿里云宣布,11 量子比特超导量子计算服务在量子计算云平台上线。这是继 IBM 后全球第二家向公众提供 10 比特以上量子计算云服务的系统。

腾讯:筹划建设量子实验室

2017 年 12 月,香港中文大学计算机系任副教授张胜誉以腾讯量子实验室负责人、杰出科学家的身份正式亮相。他表示,量子实验室将分别招聘量子方向和 AI 方向的相关人士,希望汇集跟量子相关的算法、复杂性、通讯、模拟、量子物理、量子化学等等各方面的人才,同时也看重量子力学和人工智能的结合。

国外科技企业的量子计算研究进展

D-Wave 和量子退火 

2007 年,加拿大初创公司 D-Wave Systems 宣布,他们使用 16 个超导量子比特成功制成量子计算机,但是 D-Wave 的机器并没有使所有的量子比特发生纠缠,并且不能一个量子比特接着一个量子比特得编程(be programmed qubit by qubit),而是另辟蹊径,使用了一项名为「量子退火」(quantum annealing)的技术。该技术下,每个量子比特只和临近的量子比特纠缠并交互,这并没有建立起一组并行计算,而是一个整体上的、单一的量子状态。D-Wave 开发者希望把复杂的数学问题映射到该状态,然后使用量子效应寻找最小值。对于优化问题(比如提高空中交通效率的)来说,这是一项很有潜力的技术。

英特尔和硅量子点

对量子计算最大的赌注恐怕来自英特尔:2015 年,它宣布将向荷兰代尔夫特理工大学的量子技术研究项目 QuTech 投资 5000 万美元。英特尔专注于硅量子点技术(silicon quantum dots),它经常被称作「人造原子」。一个量子点量子比特是一块极小的材料,像原子一样,它身上电子的量子态可以用 0 或 1 来表示。不同于离子或原子,量子点不需要激光来困住它。

早期的电子点用几近完美的砷化镓晶体制作,但研究人员们更倾向于硅,希望能利用半导体产业的巨大产能。QuTech 技术负责人 Leo Kouwenhoven 说:「我认为英特尔属意于硅,毕竟那是他们最擅长的材料。」但是基于硅的量子比特研究,大大落后于囚禁离子和超导量子技术。

谷歌的超导量子研究

谷歌聘用了加州大学圣芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara)的超导量子比特专家 John Martinis。他曾研究过 D-Wave 的运行方式和缺陷。在 2014 年,谷歌把整个加州大学圣芭芭拉分校研究团队的全部十几个人都纳入麾下。这之后,John Martinis 团队宣布,他们已经建成了 9 量子比特的机器,当时是目前世界上可编程的量子计算机中最大的之一,而且他们正在尝试扩大规模。为了避免大堆缠绕的电线,他们正在 2D 平面结构上重建该系统。系统会铺设在一块晶圆上,所有控制电路都蚀刻在上面。

John Martinis 团队如今已有 30 名科学家和工程师。在 2016 年 7 月,他们用了三个超导量子比特来模拟氢分子的基态(ground state)能量,这展示了在模拟简单的量子系统上,量子计算机可以做到和传统计算机一样好。Martinis 表示,这个结果预示了拥有「量子霸权」的计算设备的力量。他还认为,谷歌一年造出 49 量子比特计算机的计划很赶时间,但或许有可能实现。

而在近日,谷歌量子 AI 实验室今天发布了新的 72 位量子比特的量子处理器 Bristlecone。虽然目前还没有看到具体的实验结果,但这块芯片的未来有很大潜力,很有可能达成量子计算领域内的重要里程碑。

ionQ 和囚禁离子

与此同时,ionQ 的 Chris Monroe 正在试图克服囚禁离子带来的各项挑战。作为量子比特,它们可以在几秒钟内维持稳态,这还多亏了真空装置和在环境噪音影响下仍能将其稳定的电极。但是,这些隔离措施意味着,量子比特之间的交互变得更难。Monroe 最近把 22 个镱离子纠缠成一条线形链(linear chain),但至今,他还未能控制或查询所有的离子对,而这是量子计算机必须做到的。

控制组合体的难度,会随离子数目的增加指数级得升高。所以,加入更多离子是做不到的。Monroe 认为,解决办法在于使用模组化的设计,用光导纤维把囚禁离子群连接起来,每个囚禁离子群约有 20 个离子。若用该方案,每个模组中的某特定量子比特都会成为该离子群的中心,从群中其他量子比特那接受信息,并与其他模组分享。这样,大多数离子会免于外部侵扰。

IBM 与商业化

在商业化上走得更远的企业,IBM 可谓独树一帜。早在 2016 年,IBM 就开发出了具有 5 位量子比特的量子计算机后,就把它提供出来作为量子计算云服务,供研究者使用。2017 年 11 月,IBM 宣布发布新型的 20 位量子比特的量子计算机,同样作为云服务对外提供,并且是正式商业化的产品。

IBM 同时表示,他们的研究人员们已经成功开发出了一台 50 位量子比特的原型机。以往观点认为达到 50 位量子比特的量子计算机就可以模拟传统计算机的所有操作,因此,这可以算是量子计算机重要的里程碑,但它的商业化日程尚未可知。

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