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【重磅】微软量子计算重大突破:量子系统或存在天使粒子,一个稳定的量子比特强过1万个

[日期:2018-03-30] 来源:网络  作者: [字体: ]

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来源:Gizmodo 译者:闻菲,肖琴,克雷格

【新智元导读】微软的量子计算突破终于来了!研究人员今天在Nature发文,给出他们发现天使粒子——马约拉纳费米子(Majorana fermion)存在的有力证据,他们在特殊制备的导线中,将电子分为两半。这项工作意义重大,至少在人工制备/调控、操纵量子态领域取得了巨大进展,有助于量子信息科学发展和应用。

就在刚刚,微软宣布了一项量子计算的重大突破:在一条导线中,电子分为两半。

微软的研究人员观察到被称为“天使粒子”的马约拉纳费米子(Majorana fermion)存在的相当有力的证据,电子在他们的导线中分裂成半体。

如果微软希望建造一台能工作的量子计算机,这将是至关重要的。

IBM、谷歌、英特尔等大公司(甚至还有一些初创公司)已经造出具有多个量子比特的量子计算机。微软看起来是落后的,它甚至没有产生过一个量子比特!但是,微软正在研发自己的量子计算机,它结合brain-melting的物理机制,克服了困扰竞争对手的一大挑战。如果一切顺利的话,这将是一个非常重大的突破。

这是物理学家用来发现Majorana粒子最清晰信号的装置。中间的灰线是纳米线,绿色区域是超导铝条。Credit: Hao Zhang/QuTech

量子计算机是以量子物理学为基础的计算机,即研究微观粒子的物理学。量子计算机被用于执行普通计算机很难或不可能完成的计算。虽然谷歌有报道过72量子比特的计算机,但这些都是不精确的的量子比特。来自外部环境的微小震动或能量都可能导致计算错误。但微软的“拓扑”量子计算机可能能够大大降低噪音。微软的研究人员今年取得了一系列重要进展,包括今天发表在Nature的论文。他们认为,将在今年年底前得到可工作的量子比特。

微软量子计算业务发展总监Julie Love几周前接受采访时说:“我们的一个量子比特将会有1000个、甚至10000个嘈杂的量子比特那样强大。”

计算机以比特(bits)作为计算单位,即二进制位,例如一枚硬币,可以是正面,也可以是反面。一个量子比特(quantum bit),或称量子位(qubit),也是一样的,只不过在计算过程中,硬币是在一个黑盒子里翻转。你可以在硬币的每一面设置一些初始值,例如高中学过的a+bi这样形式的复数。在操作时,输入硬币是正面或反面的概率。只有打开盒子,你才能知道硬币的值。计算是通过将几个硬币同时放在盒子中,并以某种方式让它们相互作用,以让上面的初始值发生数学上的交互。现在,输出就跟所有的硬币相关,使得某些正面和反面的组合的概率更大,其他组合的概率更小。

这个系统可以用于很多事情,例如高级化学模拟、人工智能等。但关键是找到一种量子的“正面和反面”系统,在这个系统中,两种状态可以形成叠加(黑盒子)、纠缠(将硬币捆绑在一起)和干扰(硬币在盒子中纠缠时,概率发生变化)。你还必须找到另一个系统,在这个系统中,即使你推动(nudge)了盒子,硬币也仍会继续翻转,或者找到一种方法构建冗余(redundancies),以弥补这种推动。

微软的研究人员认为,克服这个问题的关键是拓扑系统(topological system)。这是一个工程系统,无论你如何改变它,都会保留一些固有的特性。这些特性即拓扑对象( topological objects)。

研究人员首先需要构建他们的拓扑对象。微软专门制造了一条由锑化铟制成的半导体导线,并用超导铝包裹。在磁场中,将这条导线冷却至接近绝对零度,使电子形成一种集体行为,该行为迫使某些电子特性呈现离散值。

拓扑量子比特的示意图 via:微软

量子信息将被存储在这个系统中,但不是存储在单个粒子中,而是存储在整条导线的集体行为中。在磁场中操纵电线,可能会使电子的一半,或者更准确地说,是一半要成为电子但还不是电子的粒子,位于两端中的任意一端。这些所谓的马约拉纳费米子或马约拉纳费零模(Majorana zero-modes),受系统的集体拓扑行为保护,你可以在电线周围移动一个,而不会影响另一个。

这些马约拉纳零模也构成两个量子比特状态。如果你把它们放在一起,它们要么变成零,要么变成一个完整的粒子。

这就是今天微软科学家所报道的进展:他们观察到这些马约拉纳零模存在的相当有力的证据,电子在他们的导线中分裂成半体。

本质上说,微软开发了一个由原子组成的系统,这个系统看上去在两端都有一个电子的一半。当你移动其中一个电子半体时,他们的特殊设置不会因为量子噪音而坏掉。把这两个电子半体放在一起,你就会得到两个量子比特状态之一:是,或者什么都不是。

但是,这只是创建了一个不太静态的系统。要实际进行量子计算还有更多的事情要做。 “我们需要让两个马约拉纳子在彼此附近移动,这样交换所产生的效果应该显示非阿贝尔统计,”微软和代尔夫特理工大学研究员Leo Kouwenhoven接受Gizmodo采访时说(译注:非阿贝尔任意子由于其特殊的统计规律,在拓扑量子计算中有重要的应用)。

我们需要以某种方式实际操纵马约拉纳粒子。

所谓“非阿贝尔”,意思就是如果你在马约拉纳粒子上执行两种不同的操作,改变操作的顺序,将返回不同的结果。打个比方,如果你把手机往左转,再往右转,会得到一种结果;但是,如果你把手机先往右转,再往左转,就会得到另一种结果。这就是一组非阿贝尔行动。简单说,如果你用不同的方式交换马约拉纳粒子,你可以得到不同的测量结果。

从技术上讲,至少需要这样4个马约拉纳粒子来做量子计算。假设所有4个粒子都安排在“H”的四个角落,中间由两条特殊的导线相连。先交换上面两个马约拉纳粒子,然后交换下面两个,测量到的结果会跟先交换下面两个再交换上面两个不同。

这种交换动作称为编织(braiding)。基本上就是上面谈到的,在黑匣子中捆绑在一起的硬币。它必须是非阿贝尔的原因,是物理定律规定,每个粒子都是完全一样的。所以,用普通的电子建立这个系统并交换它们,不会留下关于以前发生的事情的任何知识。但是,用这些马约拉纳粒子的非阿贝尔性,意味着它们保留了之前发生的事情的记忆,这可以让研究人员分辨量子比特,并且计算它们。

拓扑量子计算机(Topological Quantum Computer)的优势在于,它对外在噪声的抵抗力比普通的量子计算机更强,更具鲁棒性。最近几年,随着‘拓扑量子计算机’概念的出现,马约拉纳费米子受到了广泛的关注。

研究人员尚未通过实验展示编织,但微软量子研究公司副总裁Todd Holmdahl表示,他们希望在一年内实现这一发现。

Kouwenhoven说,重要的是要注意,这些拓扑量子比特还不能完成其他量子比特能够做的所有事情。如果把两个量子态所有可能的组合,看做一个球体上的点,这些交换操作不能击中球面上的每个点。但是,Kouwenhoven暗示,“我们有一个计划。”

没有参与研究的物理学家们对此感到兴奋,原因有几个。伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校物理系副教授Smitha Vishveshwara告诉Gizmodo说:“我认为这篇论文很重要。”她认为要做到编织(braid)还需要一定时间:“许多步骤仍然必须落实到位。但每当确认新的一步时,我都觉得这很刺激。”

她对物理本身同样兴奋。这些“马约拉纳粒子”最初被推定为以自身反粒子的形式存在于自由空间中。目前在自由空间中还没有发现马约拉纳粒子,但在像这样的系统中发现他们的模拟是很酷的。

毋庸置疑,微软已经投入数百万美元用于发现高度工程化系统中的新物理,以便让量子计算机发挥作用。这也从某种意义上说明,为什么微软还没有做出来相互作用的量子比特,但一直在开发量子硬件,以及量子计算机软件开发套件的工作。

微软有信心,如果它能够把所有东西都运转起来,它将拥有最好的能力,并且能够快速赶上竞争对手。 “我们有一个稳定的量子比特,比其他人的更稳定,”Love说。 “你可以用砖块建造一座房子,但砖是造不出摩天大楼的,我们的量子就像钢铁一样,能建立起高楼大厦。“

相关研究发表在最新一期Nature杂志。

值得一提,这项工作的三位联合一作,两位是华人,分别是张浩、Chun-Xiao Liu和Sasa Gazibegovic。其中,张浩(下图)本科毕业于北京大学物理系,在杜克大学取得博士学位,现在TUDelft做博士后。Chun-Xiao Liu也是华人,所属机构是马里兰大学。

  • Nature论文:https://www.nature.com/articles/nature26142

  • Gizmodo原文:https://gizmodo.com/how-will-microsofts-wild-electron-splitting-topological-1824142429

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