雖然微軟與諾基亞在拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)（一種可能比其他量子計(jì)算機(jī)更穩(wěn)定的新型量子計(jì)算機(jī)）領(lǐng)域的研發(fā)投入巨大，但迄今仍未發(fā)現(xiàn)拓?fù)淞孔颖忍卮嬖诘拇_鑿證據(jù)。

2025年3月，在美國(guó)物理學(xué)會(huì)加州阿納海姆全球峰會(huì)上，微軟量子團(tuán)隊(duì)的成員展示了其有關(guān)拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的研究成果。此前的2月，該團(tuán)隊(duì)發(fā)布首款拓?fù)淞孔有酒?/span>Majorana 1并引起了轟動(dòng)。諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室則較為低調(diào)地推進(jìn)著其拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的研發(fā)。諾基亞公司曾在2023年宣稱已驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)要素。

“我認(rèn)為所有量子計(jì)算技術(shù)都處于早期階段，但拓?fù)淞孔佑?jì)算的進(jìn)展更滯后。”哈佛大學(xué)物理學(xué)名譽(yù)教授伯特蘭德·哈爾佩林（Bertrand Halperin，未參與這兩個(gè)項(xiàng)目）說(shuō)，“它可能迎頭趕上，畢竟選擇了一條不同的發(fā)展路徑。”

量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行依賴于量子比特，其數(shù)值可以是0、1或兩者的疊加態(tài)，通常通過(guò)某種局域量子特性（如電子自旋向上還是向下）來(lái)編碼。因此，量子計(jì)算機(jī)擁有不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的能力，有望輕松攻克最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)也束手無(wú)策的特定難題。但問(wèn)題在于，這些量子疊加態(tài)極其脆弱。無(wú)論是溫度波動(dòng)還是電場(chǎng)、磁場(chǎng)的細(xì)微變化，環(huán)境中的任何干擾都可能破壞量子比特的疊加態(tài)而導(dǎo)致錯(cuò)誤。

而拓?fù)淞孔佑?jì)算采用了一種完全不同的方式：它不再依賴局域特性，而是利用整個(gè)電子海洋共有的全局拓?fù)涮匦詠?lái)編碼量子比特。拓?fù)鋵W(xué)是數(shù)學(xué)中研究形狀的分支：若兩個(gè)形狀無(wú)需撕裂或連接之前未曾連接的部分就能相互轉(zhuǎn)換，則它們?cè)谕負(fù)鋵W(xué)上是等同的。例如，打了結(jié)的繩環(huán)與同一個(gè)不打結(jié)的繩環(huán)從拓?fù)鋵W(xué)上講是不同的。

電子可以相互“扭結(jié)”形成類似繩結(jié)的結(jié)構(gòu)，這種“結(jié)”難以形成也難以解開(kāi)，因而能抵御噪聲干擾。但問(wèn)題在于，在自然條件下，電子并不會(huì)扭結(jié)。盡管理論學(xué)家數(shù)十年前就提出假說(shuō)，認(rèn)為這種量子態(tài)可能存在，但在現(xiàn)實(shí)中創(chuàng)造適當(dāng)?shù)臈l件實(shí)現(xiàn)這種狀態(tài)卻困難重重。制造能產(chǎn)生電子扭結(jié)的裝置極為困難，而要證明裝置確實(shí)完成了這一任務(wù)則更難。但微軟宣稱已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這種突破。

微軟量子團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造電子扭結(jié)的方法是：首先制作半導(dǎo)體納米線，然后在這種納米線上覆蓋一層超導(dǎo)材料。半導(dǎo)體層與超導(dǎo)層都必須幾乎完全沒(méi)有材料缺陷，且需維持在毫開(kāi)爾文的極低溫環(huán)境。理論上，這種結(jié)構(gòu)能讓半導(dǎo)體層的電子借助超導(dǎo)體有效地?cái)U(kuò)散至整個(gè)導(dǎo)線，形成類似于可以打結(jié)的“繩索”。這種結(jié)構(gòu)被稱為馬約拉納零能模式。

對(duì)于微軟團(tuán)隊(duì)而言，要確鑿地證實(shí)成功創(chuàng)造出了馬約拉納零能模式并不輕松。該團(tuán)隊(duì)與合作方曾在2018年宣稱達(dá)成這一里程碑，但一些研究者并未被相關(guān)證據(jù)說(shuō)服，認(rèn)為裝置缺陷也能導(dǎo)致同樣的測(cè)量結(jié)果。因此，相關(guān)言論最終被收回。2023年，微軟及其合作方發(fā)布了更多證據(jù)表明其已創(chuàng)造出馬約拉納零能模式，但仍有部分科學(xué)家并不信服，并指出已共享的數(shù)據(jù)不足以復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2025年2月份，微軟宣稱制成了集成馬約拉納零能模式的完整芯片，但這一主張至今仍有爭(zhēng)議。

“我們確信這些裝置中存在馬約拉納零能模式?！蔽④涰?xiàng)目負(fù)責(zé)人切坦·納亞克（Chetan Nayak）說(shuō)。

對(duì)此，蘇格蘭圣安德魯斯大學(xué)講師亨利·萊格（Henry Legg）表示這種自信缺乏依據(jù)：“沒(méi)有證據(jù)能表明這些裝置中存在馬約拉納的基本物理現(xiàn)象，更遑論構(gòu)建量子比特?！彼珜?xiě)過(guò)兩篇質(zhì)疑微軟成果的預(yù)印本論文。

哈佛大學(xué)的哈爾佩林表示：“我們可能普遍認(rèn)同的是，要終結(jié)這場(chǎng)爭(zhēng)議，仍需更多實(shí)驗(yàn)與更完善的數(shù)據(jù)支撐?！?/span>

無(wú)論微軟量子團(tuán)隊(duì)是否成功創(chuàng)造馬約拉納零能模式，這都只是萬(wàn)里長(zhǎng)征的第一步。團(tuán)隊(duì)還必須證明能夠操控這些模式來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際計(jì)算。不同零能模式可能代表不同數(shù)值，研究人員需完成多種操作：制造代表“0”的量子結(jié)，將其解開(kāi)或扭結(jié)以制造代表“1”的量子結(jié)，或者制造兩者的量子疊加態(tài)。

該團(tuán)隊(duì)最新的論文表明，他們有能力進(jìn)行其中一項(xiàng)必要的操控。“這是一個(gè)重大突破?！睘槲④泩F(tuán)隊(duì)提供顧問(wèn)服務(wù)的馬里蘭大學(xué)物理學(xué)教授杰伊·索（Jay Sau）說(shuō)。

微軟團(tuán)隊(duì)采取了一個(gè)非同尋常的舉措：在加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校校區(qū)總部召開(kāi)了一次設(shè)限參與的會(huì)議，并在會(huì)上披露了實(shí)現(xiàn)第二項(xiàng)操控的初步結(jié)果。

“我們還需完成大量工作”才能展示操控，出席此次會(huì)議的諾基亞數(shù)據(jù)與設(shè)備負(fù)責(zé)人邁克爾·埃格爾斯頓（Michael Eggleston）表示，“當(dāng)前系統(tǒng)存在大量噪聲，但我認(rèn)為他們的路線是正確的?！?/span>

換言之，微軟團(tuán)隊(duì)尚未達(dá)到讓科學(xué)界認(rèn)同他們創(chuàng)造了單個(gè)拓?fù)淞孔颖忍氐牡夭健?/span>

“他們擁有的是集成了8個(gè)光刻量子比特的概念芯片?！卑８駹査诡D說(shuō)，“但需要特別指出的是，這些并非能正常發(fā)揮作用的量子比特，只是他們前進(jìn)方向的一個(gè)概念?！?/span>

諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)也在通過(guò)不同的物理實(shí)現(xiàn)路徑追逐拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的夢(mèng)想。在終身致力于拓?fù)淞孔佑?jì)算的羅伯特·威利特（Robert Willett）的帶領(lǐng)下，該團(tuán)隊(duì)制作了由一個(gè)砷化鎵薄層與兩層半導(dǎo)體材料組成的“三明治”。他們將這個(gè)“三明治”冷卻至毫開(kāi)爾文級(jí)的極低溫并置于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下。如果設(shè)備具備適當(dāng)?shù)奶匦?，將誘導(dǎo)出可形成量子結(jié)的二維形態(tài)的全局電子態(tài)。要實(shí)現(xiàn)量子比特，不僅需要制造這種狀態(tài)，還需具備以可控方式打結(jié)與解結(jié)的能力。

然而，威利特及其合作方也同樣難以讓科學(xué)界信服其制造的量子態(tài)就是業(yè)界夢(mèng)寐以求的拓?fù)錉顟B(tài)。

“我們非常自信已制造出拓?fù)淞孔討B(tài)?！敝Z基亞監(jiān)管量子計(jì)算項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人埃格爾斯頓表示。

“我認(rèn)為這值得相信?！惫鸫髮W(xué)的哈爾佩林表示，“但并非所有人都會(huì)認(rèn)同?！?/span>

諾基亞團(tuán)隊(duì)尚未宣稱他們有能力使用此裝備進(jìn)行操控。埃格爾斯頓表示他們正在致力于證實(shí)相關(guān)操作，計(jì)劃于2025年取得成果。

諾基亞團(tuán)隊(duì)表示能夠?qū)o(wú)誤差量子態(tài)維持?jǐn)?shù)天，但尚無(wú)法控制這些量子態(tài)。微軟在圣芭芭拉會(huì)議披露的數(shù)據(jù)顯示，其裝置能保持5微秒的無(wú)誤差狀態(tài)，該公司認(rèn)為還有提升空間。（相比之下，IBM的一款量子計(jì)算機(jī)中的傳統(tǒng)超導(dǎo)量子比特能保持400微秒無(wú)誤差狀態(tài)。）

“總會(huì)有人持不同意見(jiàn)或者想要更多數(shù)據(jù)?！卑８駹査诡D說(shuō)，“我認(rèn)為這正是科學(xué)界的力量所在——永遠(yuǎn)追求極致。”

盡管困難重重，但拓?fù)淞孔佑?jì)算至少在理論上仍極具前景。

“我了解了現(xiàn)有的其他各類量子比特。它們都是精彩的演示，是偉大的科學(xué)成果，也是艱難工程的結(jié)晶。遺憾的是，它們就像20世紀(jì)40年代的真空管一樣?！卑８駹査诡D說(shuō)，“人們用它制造計(jì)算機(jī)只因別無(wú)選擇，而且它們的擴(kuò)展難度極高。在我看來(lái)，拓?fù)淞孔酉窬w管一樣非常有潛力。它們小巧、穩(wěn)健、可擴(kuò)展，這才是量子計(jì)算的未來(lái)?！?/span>

作者：Dina Genkina

IEEE Spectrum

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