近日,微软与哥本哈根大学合作产生了制作拓扑量子计算机的新材料,这无疑是微软研究拓扑量子计算机数十年来取得的重大进展。

相关人员表示,新材料将很快应用于实现真正的拓扑量子比特,从而实现真正的拓扑量子计算机。

相关研究已发表于《Nature Physics》[1]

微软发现新拓扑材料,拓扑量子计算机要登场了-量子客

发展趋势

近几月,量子计算屡获捷报。

6月中旬,霍尼韦尔发布基于离子阱的量子计算机,实现6量子比特的全连接,并且其量子体积(Quantum Volume,QV)达到了64QV,该量子计算机宣称是全世界最强的量子计算机。关于量子体积的更详细参数请参阅《量子体积参数详解》;

8月中旬,IBM发布64QV的超导量子计算机

8月末,英国推出全球首个量子操作系统,使得相同的量子软件在不同类型的量子计算硬件上运行成为可能;同时Google 宣布,其量子研究团队在量子计算机上模拟了迄今最大规模的化学反应;

9月2日,IBM发布其有史以来的最强大的65-Qubit的量子系统,这是当前实现的基于超导的最高量子比特数的量子系统。同月,Xanadu宣布,推出光量子计算云平台,这是全球首个基于光量子计算系统的云平台;

9月5日,潘建伟院士表示,其研究团队实现了50个光子的玻色采样

9月12日,中国本源量子发布了国内初创公司的首个超导量子计算云平台

9月15日,百度发布国内首个云原生量子计算平台。同时,IBM发布其量子技术路线图,将在2023年实现超过1000量子比特的量子计算机,开启通往百万级别量子系统的道路。

9月17日,剑桥量子计算公司与IBM合作,开发了世界上首个量子计算应用程序

短短数月时间,量子计算领域可谓发生了翻天覆地的变化,从硬件、云平台、操作系统以及应用方面都取得了突破性的进展。

从量子计算整体的发展来看,形势直线上走,百家争鸣,全球竞争。

超导、离子阱以及光量子计算都取得了瞩目的成就,但是吆喝声最高的拓扑量子计算,一直看不见踪影。

 

拓扑量子计算机前景

与众不同的是,微软一直耕耘在拓扑量子计算领域,已有数十年之久。拓扑的难度在于,这是一个从0到1的过程,相较于超导、半导成熟的工业背景,拓扑非常具有挑战性。

但是其魅力在于,拓扑量子计算可能才是真正的量子计算,因为无需大规模纠错。

 而且,该技术栈拥有着无可比拟的优点,如:
  • 对于环境干扰、噪声、杂质有很强的抵抗能力;
  • 相干时间可以无限延长;
  • 两比特门保真度可达100%。

机会与挑战并存,拓扑所拥有的优势与其所具有的挑战是呈相关性的,这也是科技大企业中,仅有微软研究该领域的原因所在。不过,而该技术一旦实现,将彻底的震惊世界。

 

挑战

在过去的十年中,凝聚态系统中的拓扑状态引起了业界极大的兴趣和反响,其中包括2016年的诺贝尔物理学奖。所谓的Majorana零模式具有天然的容错能力,这使得拓扑状态非常适合量子计算。

但是,系统必须在大磁体的内腔中运行,每个拓扑片段必须沿着磁场的方向精确排列。然而,这需要强大的磁场来诱导拓扑相位,使得实现Majorana零模拓扑的进展受到巨大的阻碍。

 

关键的第一步

近日,微软与哥本哈根大学合作使得拓扑量子计算机成为可能。

新研究展示了在没有施加磁场的情况下,拓扑超导性的关键特征,在超导体和半导体元件中,一层薄薄的材料铕硫化物(Eus) ,其内部磁性自然地与纳米线的轴对齐,并在其中产生一个有效磁场(比地球磁场强一万倍以上) ,该磁场足以诱发拓扑超导相位。

哥本哈根大学教授Charles Marcus解释了这一进展:通过将三种成分单晶半导体、超导体、铁磁绝缘体组合成一种新的三重混合体材料,该新材料能够在低温下形成拓扑超导体,提供了制造拓扑量子计算的新途径,并为物理学家提供了新的物理系统探索方式。

微软发现新拓扑材料,拓扑量子计算机要登场了-量子客

插图a:该图显示了三种材料的组合以形成新材料。Al是铝(超导体),铕硫化物EuS是新添加的元素(铁磁体),InAs是砷化铟(半导体)。结合起来,它们允许存在所需的Majorana零模式,成为量子计算机不可或缺的组成部分。

插图 b: 电子显微照片显示栅极电极之间的导线(蓝色/灰色)。栅极是控制电子密度所必需的,而电子从源极(偏置)穿过导线。这个系统的最大优点是大磁场已经变得多余,因为磁场可能对附近的其他成分产生潜在的负面影响。换句话说,这个结果使实际应用的可能性大大增加。图中金属丝的长度为2微米 = 0.002毫米,厚度为100纳米 = 0.0001毫米。

 

将很快应用于制作量子比特

官方表示,其下一步将是应用新材料,制造出真实可用的量子比特。

到目前为止,研究人员一直在从事物理学方面的工作,现在他们将着手设计实际的量子计算设备。

量子比特对于量子计算机而言,就如同晶体管对于我们今天所熟知的普通计算机一样,它是执行计算的基本单元。

拓扑量子比特一旦在物理层面上制备成功,就意味着拓扑量子计算机即将诞生

量子计算机具有巨大的性能潜力,以至于今天我们甚至无法真正想象到这种可能性,而拓扑量子计算机所拥有的优势,将这种可能性再次升级。

数十年的研究进入实践阶段,微软深耕的拓扑领域会带来怎样的颠覆,所有人,拭目以待。

 

参考链接

[1] https://www.nature.com/articles/s41567-020-1017-3

 

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编辑:Sakura    审校:Josephus Hahn,Xinwen Wang