​研究人员在2018年的一篇论文[1]中说,他们发现了难以捉摸的理论粒子的证据,但是现在进一步的研究表明,情况并非如此,事与愿违。

2018年3月,荷兰物理学家、微软员工 Leo Kouwenhoven 发表了引人注目的文章,新的成果提供了“证据”,证明他观察到了一种称为马约拉纳费米子(Majorana Fermion)的“天使”粒子。

微软量子计算“天使梦”破碎,扬言的巨大胜利终究是一个“错误”-量子客
图1 | 论文(来源:Nature)
 

1.独家量子梦

微软为此,倾尽全力,独家开展, 希望利用马约拉纳费米子来建造一台量子计算机,这台计算机将利用超级古怪的物理学原理,来获得前所未有的新能量。

竞争对手 IBM 和谷歌已使用更成熟的低温超导量子技术制造量子计算原型机。乘着Kouwenhoven 的发现,使微软有机会迎头赶上,加入头号竞争阵列。

 

2.头号阵列,不幸“阵烈”

2019年5月,微软公司量子计算业务发展总监Julie Love曾向外界透露提到,微软将在“五年内”拥有一台商用量子计算机。听起来振奋人心,但结果令人遗憾,微软在雄心勃勃的头号阵列中不幸“阵烈”。

三年后的今天,微软2018年雄心壮志计划宣告失败。上个月末,Kouwenhoven 和他的21位合著者发表了一篇新论文[2],其中包括了他们实验中的更多数据。

报告的结论是,他们终究没有找到这种珍贵的粒子。早期提交的原始的论文,发表在《Nature》杂志上也将被撤回,撤回理由是“技术错误”。

 

3. 事有蹊跷的质疑

行业专家也提出了质疑,当然研究团队本身是通过自我否定的方式把早期媒体上宣传的数据予以排除。

引匹兹堡大学教授 Frolov的描述,“我不确定他们在想什么,他们跳过了一些与论文直接矛盾的数据,从更全面的数据来看,毫无疑问,没有马约拉纳粒子。”

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而2018年的论文,与早期2012年的一项结果做了模糊的研究对比后,确信马约拉纳粒子的证据确凿,但事有蹊跷。

 

4. 停止误导,终止错误

尽管如此,这项研究还是为Kouwenhoven和他在代尔夫特技术大学的实验室赢得了巨大声誉,项目的部分资金来自微软,微软公司在2016年聘请Kouwenhoven为马约拉纳粒子项目工作。

微软提供了一份据称是 Kouwenhoven 的声明,称他不能发表评论,因为重新解释他的团队成果的新论文正在接受同行评议。

微软对外公开道: “规模化量子计算有助于解决人类面临的重大挑战,微软将继续致力于量子计算的投资,投资计划不会因此受到阻碍。”

2020年4月,《Nature》杂志在2018年的论文中就加入了“社论”标识,一位发言人本周表示,该杂志正在与作者协作合作解决这个问题。

代尔夫特技术大学的发言人则表示,该校研究诚信委员会于2020年5月开始的调查尚未完成。当然可以预见的是,最终报告可能会发现,代尔夫特的研究人员犯了一些错误,但并不打算进行误导,继续让错误延伸下去。

 

5.微软“天使梦”挫败

无论发生了什么,马约拉纳费米子的闹剧对微软在量子计算领域的竞争雄心来说都是一个挫折。

领先的计算机公司都表示,这项技术将通过在科学和工程领域实现新的突破来定义未来。当下,量子计算机商业化面临的一大挑战是,量子态非常脆弱,很容易被外界干扰。详情参阅《精,一文读懂量子计算》。

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图2 | 比特与量子比特(来源:towardsdatascience)

谷歌、 IBM 和英特尔都展示了大约50个量子比特的量子处理器原型机,包括高盛和默克在内的公司也正在测试这项技术。但是有用的量子计算系统可能需要成千上万,甚至百万级量子比特。

微软一直声称采取的独门绝技,基于马约拉纳粒子的量子比特将更具可扩展性,允许其超越超导量子计算的纠错苦恼,但是经过十多年的研究,一个量子比特也没有做到。

 

6. 天使粒子的起源

马约拉纳费米子是以意大利物理学家马约拉纳的名字命名的,马约拉纳在1937年假设粒子应该以它们自己的反粒子的奇特性质而存在。就在此论提出不久之后,他登上了一艘船,仙踪而去,再也没有出现过。

直到下一个世纪,物理学家们才在匹兹堡大学Kouwenhoven 的实验室里,发现了与他同名的粒子。

 

7. 微软拓扑量子计算之路

早在2004年,全球互联网中应用才走入新纪元,然而微软公司的研究人员,就找到了技术战略负责人Craig Mundie ,说他们有办法解决阻碍量子计算机发展的量子比特的不稳定性问题。之后,微软兴致勃勃,对马约拉纳费米子产生了兴趣,并一发不可收拾。

当时的研究人员利用理论物理学的论文,提出了一种建立量子比特的新方法,使它们更加可靠稳定。

这些所谓的拓扑量子比特将围绕着不寻常的粒子构建,例如马约拉纳费米子粒子,它们可以在非常低的温度下以电子簇的形式存在于特定的材料中。

微软为此创建了一个由物理学家和数学家组成的新团队[3]来充实拓扑量子计算的理论和实践,这个团队以加利福尼亚州圣巴巴拉的一个前哨站为中心,命名为Q站(Station Q),他们与全球一流的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。

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图3 |微软Station Q(来源:微软)
 

代尔夫特的 Kouwenhoven 是得到微软支持的物理学家之一。他在2012年发表的论文[4]报告了纳米线内马约拉纳粒子的“特征”。

消息一出,引发了人们对未来诺贝尔奖的热议,因为诺贝尔奖证明了难以捉摸的粒子存在。因此,2016年,微软在此基础上煽风点火,更是加大了投资和宣传力度。

Kouwenhoven和哥本哈根大学另一位著名的物理学家Charles Marcus被雇佣为马约拉纳粒子的企业操盘手。他们的计划首先是探测这些粒子,然后发明更复杂的装置来控制它们,并以量子比特的形式发挥量子计算的作用。

Todd Holmdahl在此之前主要负责微软利润丰厚的 Xbox 游戏机的硬件,而现在接任拓扑量子计算项目的负责人。

2018年初,他告诉《巴伦周刊》[5] ,他们将在2018今年年底拥有一个拓扑量子比特(要知道,一个拓扑的物理比特,几乎等于一个逻辑量子比特)。一个月后,这份备受争议的报纸仍旧公开出版。

 

8. 稳步进展的量子计算

 当微软倾尽全力在寻找“梦中天使粒子” 的时候,竞争对手在已有的量子比特技术上取得了稳步的进展。2019年,谷歌宣布它已经达到了一个被称为“量子霸权(quantum supremacy)”的里程碑,展示了一个53量子比特的芯片可以在几分钟内完成一个统计计算,这将花费超级计算机数千年的时间。
 
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图4 | 谷歌量子计算机(来源:谷歌)
 

而后的一年里,IBM、英特尔等公司在超导技术路线上也不断出新。而基于离子阱技术的霍尼韦尔更是高调宣布其全球第一强的离子阱量子计算机,一骑红尘黑马,IonQ半路杀出,刷新了量子计算的QV(量子体积)量子指标,重新定义了衡量指标。(《全球最强量子计算机,到底强在哪儿》《IonQ发布QV400万超强量子计算机》)

中国公司也在量子计算领域,后来者抢眼。以初创公司为例的本源量子(该公司采用低温超导量子计算技术路线),在其对外的宣称中,很快也将要达到60Q的量子比特数,在软件构建方面,比如操作系统(参阅《司南,斯甚难!品观首款国产量子计算机操作系统发布》),也不断上新。

超导技术路鲜为人知的就是,将QPU装置稀释制冷机里冷冻到几乎绝对0度,以达到稳定控制量子比特的目的。

人们常见的各家量子计算机配备的“大桶”,即是低温主体,都是由诸如牛津仪器这样的公司提供,但是一部分公司因为设备需求,需自己独家定制更大体积的制冷机,比如IBM公开的超级大桶。

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图5 |牛津仪器新一代Proteox稀释制冷机(来源:牛津仪器)
 

9. 途中救火,对冲下注

基于不断扩张的低温超导技术突破,微软似乎觉察到此前策略有患,于是采用对冲方式,下注量子计算赌注。

宣布通过云服务 Azure 提供其他公司的量子硬件访问,诸如霍尼韦尔,IonQ以及超导的QCI,并且与1Qbit等企业在软件层上深度合作《微软里程碑,量子云平台现已允许公开访问,但费用高昂》。

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图6 |微软Azure Quantum(来源:微软)

而据《华尔街日报》报道[6],Todd Holmdahl在错过内部截止日期后,当年就离开了这个项目。

自Holmdahl离职以来,微软对量子硬件的预期进展速度,一直保持沉默。

 

10. 忧伤的梦,仍需耐心

 当然,纵观全球态势,量子计算领域的竞争对手都继续吹捧自身硬件的进步,无一例额外。

各公司并敦促软件开发人员,开发云平台,以通过互联网访问远在实验室里的原型机。但遗憾的是,似乎没有一家公司能够在黄金时间内,制造出一台可用的量子计算机。

匹兹堡大学的研究人员 Frolov 再次提到,围绕 Kouwenhoven 在2018年论文的问题,留下了一个物理学的小领域,专门用于探测 Majoranas,当然聚焦期望后需要“疗养”。他表示: “有良好的科学依据,是合理的期望,而不是神奇的期望。”但是无论如何,该组织都应该公布其实验的全部原始数据,供外界审查。

Frolov和澳大利亚新南威尔士大学的Vincent Mourik一起研究了这些额外的数据,Mourik说他和Frolov有同样的担忧。在被微软雇佣之前,他们都曾在代尔夫特与 Kouwenhoven 共事,包括2012年关于“天使粒子”的论文。

马里兰大学学理论物理学家 Sankar Das Sarma 与微软的研究人员合作,他也相信这项技术最终会成功,但可能需要一段时间。同时,他也是2018年备受争议的论文和上个月发布的新版本文章的共同作者。Das Sarma 说,过去几年发展起来的新理论表明,2018年使用的方法无论如何都无法确定马约拉纳粒子的存在。还需要更纯净的材料,更复杂的实验,以及更多的科学理论进步,仍旧是漫长的长征路。

而对于微软的量子比特,离这个目标还有多远尚不清楚,也许明天,也许久远。

基于马约拉纳粒子的量子计算可能处于类似于1926年第一个晶体管专利申请的阶段。直到1947年研究人员才制造出第一个可工作的晶体管[7]。而使计算机工业得以实现的可小型化硅版本,直到20世纪50年代后期才被开发出来。

Das Sarma对外的讨论中也提出了自己的疑问:我个人看不出为什么马约拉纳费米子不能存在,或者一旦存在就无法控制。路漫漫,可能需要30年的时间。

而在2020年3月,量子信息领域教父级人物John Preskill,和已故的路易斯安那州立大学教授Jonathan Dowling,两位顶级科学家就拓扑量子计算能否在2030年之前亮相世人这一问题开启的“神仙打架”模式,参阅《量子神仙打架,两大牛物理学家公开打赌拓扑量子计算机十年将落地》。

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图7 |左John Preskill,右Jonathan Dowling(来源:量子客)

两名物理学家在Twitter上公开打赌十年后的今天,是否有人会发明出物理学家长期以来幻想的机器: 拓扑量子计算机,赌注是一张披萨和一瓶啤酒。

Preskill是著名的量子信息学家,量子霸权和NISQ这些专有名词都来源于他。这个十年“豪赌”中,Preskill赌“Yes”;Dowling下注“NO” 。如今看来,几多无奈,还需等待“新天使”。

就在本文发布前,Preskill发推表示:我在文章中的引用仍然适用,我相信我们将来会使用拓扑量子计算机,但是时间范围仍然非常不确定。

 

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图8 |Preskill推文(来源:推特)
 

11. 关于拓扑量子计算机

拓扑量子计算机由俄裔美国物理学家Alexei Kitaev于1997年首次提出,由于其特有的物理性质,可用来制备处理信息的物理比特。

拓扑量子计算的支持者称,拓扑量子计算具有最大的优势是它们不需要太多的量子纠错,而量子纠错对于传统量子计算来说就是噩梦。

比如当人们需要这些量子计算机去执行复杂算法时,超导量子比特可能会意外影响其相邻比特的属性,从而产生错误,且研究人员难以进行完全的纠错,但是,拓扑量子计算机却可以抵抗这种类型的错误。

这也是为什么科学家梦寐以求,期望能够开发拓扑量子计算机的缘故。

 

12. 后记

量子计算的技术路线,至今仍然没有具体的定论,但是从各大稳定企业以及研究机构看来,低温超导量子计算被寄予了厚望。

曾经有知名人士闲聊时讨论,各家量子技术路线时,称量子计算的研发如登月计划。一众低温超导玩家是在搭梯子去月球,只有微软在造火箭,真正能通往月球。

如今看来,万事仍旧平地起,实干兴邦方未来,在万千名人甚至权威专家的断论里,仍旧需要时刻保持理性。

当然,新的方案仍然在不断探究中,人类历史里,从来就不缺“越挫越勇”的往事。指不定一波三折后,守得云开见月明,真“天使”出现。

 

引用:

[1]https://www.nature.com/articles/nature26142

[2]https://arxiv.org/abs/2101.11456

[3]https://www.technologyreview.com/2014/10/10/73961/microsofts-quantum-mechanics/

[4]http://science.sciencemag.org/content/early/2012/04/11/science.1222360

[5]https://www.barrons.com/articles/microsoft-we-have-the-qubits-you-want-1519434417

[6]https://www.wsj.com/articles/quantum-computing-remains-a-challenge-for-tech-firms-11578345473

[7]https://www.computerhistory.org/siliconengine/field-effect-semiconductor-device-concepts-patented/#:~:text=Polish%2DAmerican%20physicist%20and%20inventor,called%20a%20field%2Deffect%20transistor.

[8]https://www.wired.com/story/microsoft-win-quantum-computing-error/amp

 

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|作者:王流伍