微软拓扑量子计算受阻，超级算力何时实现？

李冰

微软量子计算实验三年梦碎

三年前的3月，荷兰物理学家兼微软雇员莱奥·科文霍芬发表了一篇论文，表明他观察到了一种名为马约拉纳费米子。这是个重要的发现，微软希望利用马约拉纳费米子来构建量子计算机，众所周知，量子计算机可以通过物理学来实现前所未有的强大功能。鉴于竞争对手IBM和谷歌已经使用了更成熟的技术构建了不错的原型机，科文霍芬这一发现使得微软有希望迎头赶上。微软量子计算业务发展总监朱莉·洛夫甚至告知英国广播公司，微软将在“五年之内”推出一台商用量子计算机。

2021年1月末，科文霍芬和他的21位合作者发表了一篇新论文，其中包括来自他们实验的更多数据，结论是他们根本没有找到珍贵的粒子。作者的附加说明称，著名论文《自然》（Nature）上的原始论文将被撤回，理由是“技术错误”，这表明微软对之前的物理发现宣告失败。

匹兹堡大学教授谢尔盖·弗罗洛夫说：“我不确定他们的想法是什么，但是他们跳过了一些与论文内容直接矛盾的数据。从更全面的数据来看，毫无疑问，没有马约拉纳费米子。”

众所周知，我们的世界是由基本粒子组成的，而粒子世界有费米子和玻色子两大家族。其中费米子是构成物质的基本材料，如组成质子和中子的夸克、中微子等，而玻色子则是指传递作用力的粒子，如光子、介子、胶子、W和Z玻色子。

科学家们认为，每一种粒子都有它的反粒子，这些反粒子共同组成了反物质世界，当物质与反物质相遇时会产生巨大的能量而湮灭。 但是，1937年意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言，自然界中可能存在一种与其反粒子完全相同的特殊粒子，也就是马约拉纳费米子。但是在过去的近80年中，尚未有科学家能够证明这一预言的正确性，马约拉纳费米子也一直仅仅作为一种理论构想存在于科学家的想象里。

由于马约拉纳费米子在量子计算领域以及解释宇宙暗物质问题方面的重要价值，世界各国有几十个团队都加入到寻找马约拉纳费米子的行列，为此，美国、荷兰还设立了专门的基金，微软作为科技公司自然也不吝投入大量经费。

微软团队2018年的论文声称对发现马约拉纳费米子有坚决的证据，但结果却显得模棱两可，尽管如此，科文霍芬及其在代尔夫特理工大学的实验室还是声名鹊起。当时的论文报道说，在通过超细的半导体导线的电流中，看到马约拉纳费米子的明显特征，被称为“零偏峰”。论文中的一张图表显示，圆点正好在理论预测的电导率值上达到平稳状态。

反对者弗罗洛夫说，他在已发表的论文中发现存在遗漏的数据点，表明不会存在马约拉纳粒子。弗罗洛夫标记的观察结果在上个月发布的新论文图表中可见，但文字并未解释为什么以前将它们排除在外。

物理学家谢尔盖·弗罗洛夫的推文质疑2018年论文中的缺失数据

微软方面提供了一份归因于科文霍芬的声明，解释其团队的新论文正在接受同行评审：“我们相信规模化量子计算将有助于解决人类面临的一些最大挑战，将继续致力于在量子计算方面的投资。” 无论如何，马约拉纳费米子事件都挫败了微软在量子计算领域竞争的雄心，在此之前微软寄希望该技术将实现科学和工程学方面的新突破，并定义未来。

俘获物理学权威的量子计算

普通（传统）计算机使用位的集合来表示它们的状态。每个位明确为 0 或 1，如果您有 n 个位，则可能的状态数量为 2n。1 个位可能为 2 种状态中的任一个，2 个位可能是 4 个状态中的任何一个，如此等等。内存为 1MB 的计算机有1048576 种状态，不包括 CPU 寄存器和外部存储。这个数字很大，但它是有限的，可以计算。

量子计算机使用更复杂的数据表示，稱为qubit或量子位。每一个qubit可以处于状态1或 0，但也可以处于1和0的叠加，这表示qubit同时处于两种状态。此类状态可以通过包含一对复数的二维矢量指定，从而形成无限种状态。每一个复数都是概率幅度，基本为 qubit 分别是0或1的概率。传统计算机在给定时间可以处于这 2n 种状态中的一种，但量子计算机可以同时处于所有状态。

商业化该想法的主要挑战是量子态很脆弱，容易被热或电磁噪声消除，从而使量子位容易出错。为了跳过这个障碍，微软设想的是一种拓扑量子计算机，这种架构的特点就是稳定，通过基本粒子的拓扑位置和拓扑运动来处理信息。就像远古时代人类结绳记事，利用不同的节点绳子编织的（拓扑）结构的不同代表不同的信息，无论如何晃动绳子（微扰），信息的存储都是稳定的。符合拓扑量子计算设想的基本物理粒子只有马约拉纳费米子，马约拉纳粒子的发现与否，直接决定了拓扑量子计算能否成功。

比特与量子比特

在微软积极进行研究的同时，谷歌、IBM和英特尔都展示了约50量子比特的原型量子处理器，包括高盛和默克在内的公司也在测试该技术。但是有用的工作可能需要成千上万的量子比特，量子计算机的大部分功能可能必须专用于纠正其自身的故障，但任何一家公司都会不断地用一些小成绩来宣示量子霸权。

2020年8月28日，谷歌的量子计算机登上了《Science》封面，内容是成功用12个量子比特模拟了二氮烯的异构化反应，这家巨头宣布已达到一个称为量子至上的里程碑，声称具有53个量子比特的芯片可以在数分钟内完成统计计算，这将花费超级计算机上万年的时间——这个实验是在多项式时间内实现了对一个随机量子电路的采样，对一个53比特20个cycle的电路采样一百万次，用目前人类最强的超级计算机同样情况下则需要一万年，量子计算机只需要200秒。

左边图是经典计算机可以模拟的区域，右边图则是量子有优势的区域。红色数据点为最复杂的电路，绿蓝代表两种稍作简化后的电路

亦即在这个问题上，量子实现了对超算的超越，而量子上为啥会比超算好也非常容易理解，用到的就是量子运算的并行性，即量子态可以是叠加态可以在多项式时间内遍历整个希尔伯特空间（量子力学中，一个物理系统可以表示为一个复数希尔伯特空间，其中的向量是描述系统可能状态的波函数），而经典计算机模拟的话需要的资源则是随着比特数目指数增加的。

技术突破还需耐心

有人提出，有没有可能是有些更好的经典采样算法和量子的差不多，只是我们没有找到呢？这里必须要认识到，我们离着实现量子计算的完全功力还有很远的距离。硬件上有集成化的问题，比特数目增加后有空间不足等各种问题，远远不止我们图中看到的一个小芯片那么简单。再一个问题，比特数多了电路深度大了，怎么继续提高保真度也是很大问题，最终实现容错量子计算等等这些都是硬件上的挑战。

与微软研究人员合作的马里兰大学理论物理学家达斯·萨尔马认为，目前的量子计算可能处于1926年晶体管第一项专利申请获得批准的时刻，虽然专利得到认可，但直到1947年研究人员才制造出第一个工作晶体管，直到20世纪50年代末，才开发出了硅芯片的平面半导体组件，量子计算的技术可能还会花几十年的时间，目前也并未有反面依据证明马约拉纳费米子不存在，这项顶尖运算能力作为全球科技热点将依旧会高速发展。

谷歌 CEO 桑达尔·皮查伊和硅谷实验室的量子计算机