微软|微软宣布在一种全新类型的量子位上取得进展超导

拓扑量子位目前还不存在，但微软公司确信它们将会规模化。

上图：微软表示，它可以看到电线末端有两个明显的峰值，这两个峰值与其他能量状态之间有很好的能量分离。
到目前为止，两项主要的量子计算技术已经商业化。一种名为Transmon的硬件涉及连接到谐振器的超导导线回路，谷歌、IBM和Rigetti等公司都在使用这种硬件。而 Quantinuum和IonQ等公司则使用光陷阱中的单个离子。目前，这两项技术都处于尴尬境地。它们显然已经被证明是有效的，但在执行有用的计算之前，它们还需要一些显著的扩展和质量改进。
而微软，却致力于一种叫做“拓扑量子位”的替代技术，这可能会有点令人惊讶。因为这项技术远远落后于其他选择。但该公司刚刚宣布，他们已经计算出了制造量子位的物理原理。那么，为什么微软会选择这条冷僻的路径呢？微软工程师切坦·纳亚克（Chetan Nayak）为我们解释了公司的进展和计划。
量子位的基础
微软在起步时落后于一些竞争对手，是因为它的系统的基本物理原理还没有完全搞清楚。该公司的系统依赖于“马约拉纳粒子”（Majorana）的受控生产，这种粒子仅在过去十年才被证明存在（即使在那时，它的发现也一直存在争议）。
这种粒子的名字来源于埃托雷·马约拉纳，他早在20世纪20年代就提出了这个想法。用最简单的术语来说，马约拉纳粒子就是它自己的反粒子，两个自旋不同的马约拉纳粒子如果相遇就会湮灭。到目前为止，没有一种已知的粒子似乎是马约拉纳粒子（除了中微子，其他粒子都肯定不是）。但这一概念之所以得以延续，是因为有可能制造出马约拉纳准粒子，也就是一组粒子和场，在某些情况下，这些粒子和场的行为就像是单个粒子。
最突出的准粒子可能是库珀对（Cooper pair），其中两个电子以一种改变它们行为的方式成对。库珀对是超导作用的必要条件。
微软工程师切坦·纳亚克说，微软的系统包括一根超导导线和它的附属库伯导线。在正常情况下，有一个额外的、未配对的电子会对系统的总能量产生一定的影响。但在有磁场的足够小的导线中，有可能在导线的末端粘贴一个电子，而不需要任何能量成本。也就是说，在拓扑态和拓扑超导体中，你最终会有这样的状态，无需消耗能量，就可以吸收一个额外的电子。
【微软|微软宣布在一种全新类型的量子位上取得进展】这就是量子力学，电子并不局限于它插入的导线的末端；相反，它在两端都是离域的。基本上，两端都是量子波函数的实部和虚部。这些结束状态被称为“马约拉纳（Majorana）零模式” ，微软现在表示，它已经创建了这些模式，并测量了它们的性质。
从准粒子到量子位
就其本身而言，马约拉纳零模无法作为量子位元使用。但纳亚克说，有可能将它们与附近的量子点连接起来。（量子点是一种材料的碎片，其尺寸小于该材料中电子的波长。）他描述了一种 U 形线，每端具有马约拉纳零模式，而这些端靠近量子点。
纳亚克解释道：“你可以有效地通过一个虚拟过程，让一个电子隧道从量子点进入一个马约拉纳零模，并让电子隧道从另一个马约拉纳零模进入量子点。 ”这些交换改变了量子点存储电荷的能力（换句话说，它的电容），这是一种可以测量的属性。纳亚克还说，电线和量子点之间的连接是可以控制的，这可能会使马约拉纳零模断开，这将有助于保持它们的状态。
实际上，微软还没有达到将量子点连接起来的地步。但它已经做了大量的工作来让拓扑态在导线上工作。该公司使用的材料相对不同寻常：铝作为超导导线，砷化铟作为其周围的半导体。所有这些设备都是微软自己制造的。
要弄清楚如何配置这些设备以获得最佳性能，需要进行大量的模拟。纳亚克表示：“我们通过模拟，优化了23个不同的参数，从而优化了设计。如果你必须通过试验和错误来进行排序，你永远不可能在任何合理的时间内对所有这些参数进行优化。 ”
优化被用来增加一种称为“拓扑间隙”的度量。纳亚克说，只要温度低于拓扑间隙的能量，控制频率低于该能量，量子信息就应该是稳定的。更大的间隙也意味着设备可以做得更小，操作也可以更快。