微軟拓撲量子計算受阻，超級算力何時實現？

李冰

微軟量子計算實驗三年夢碎

三年前的3月，荷蘭物理學家兼微軟雇員萊奧·科文霍芬發表了一篇論文，表明他觀察到了一種名為馬約拉納費米子。這是個重要的發現，微軟希望利用馬約拉納費米子來構建量子計算機，眾所周知，量子計算機可以通過物理學來實現前所未有的強大功能。鑒于競爭對手IBM和谷歌已經使用了更成熟的技術構建了不錯的原型機，科文霍芬這一發現使得微軟有希望迎頭趕上。微軟量子計算業務發展總監朱莉·洛夫甚至告知英國廣播公司，微軟將在“五年之內”推出一臺商用量子計算機。

2021年1月末，科文霍芬和他的21位合作者發表了一篇新論文，其中包括來自他們實驗的更多數據，結論是他們根本沒有找到珍貴的粒子。作者的附加說明稱，著名論文《自然》（Nature）上的原始論文將被撤回，理由是“技術錯誤”，這表明微軟對之前的物理發現宣告失敗。

匹茲堡大學教授謝爾蓋·弗羅洛夫說：“我不確定他們的想法是什么，但是他們跳過了一些與論文內容直接矛盾的數據。從更全面的數據來看，毫無疑問，沒有馬約拉納費米子。”

眾所周知，我們的世界是由基本粒子組成的，而粒子世界有費米子和玻色子兩大家族。其中費米子是構成物質的基本材料，如組成質子和中子的夸克、中微子等，而玻色子則是指傳遞作用力的粒子，如光子、介子、膠子、W和Z玻色子。

科學家們認為，每一種粒子都有它的反粒子，這些反粒子共同組成了反物質世界，當物質與反物質相遇時會產生巨大的能量而湮滅。 但是，1937年意大利物理學家埃托雷·馬約拉納預言，自然界中可能存在一種與其反粒子完全相同的特殊粒子，也就是馬約拉納費米子。但是在過去的近80年中，尚未有科學家能夠證明這一預言的正確性，馬約拉納費米子也一直僅僅作為一種理論構想存在于科學家的想象里。

由于馬約拉納費米子在量子計算領域以及解釋宇宙暗物質問題方面的重要價值，世界各國有幾十個團隊都加入到尋找馬約拉納費米子的行列，為此，美國、荷蘭還設立了專門的基金，微軟作為科技公司自然也不吝投入大量經費。

微軟團隊2018年的論文聲稱對發現馬約拉納費米子有堅決的證據，但結果卻顯得模棱兩可，盡管如此，科文霍芬及其在代爾夫特理工大學的實驗室還是聲名鵲起。當時的論文報道說，在通過超細的半導體導線的電流中，看到馬約拉納費米子的明顯特征，被稱為“零偏峰”。論文中的一張圖表顯示，圓點正好在理論預測的電導率值上達到平穩狀態。

反對者弗羅洛夫說，他在已發表的論文中發現存在遺漏的數據點，表明不會存在馬約拉納粒子。弗羅洛夫標記的觀察結果在上個月發布的新論文圖表中可見，但文字并未解釋為什么以前將它們排除在外。

物理學家謝爾蓋·弗羅洛夫的推文質疑2018年論文中的缺失數據

微軟方面提供了一份歸因于科文霍芬的聲明，解釋其團隊的新論文正在接受同行評審：“我們相信規模化量子計算將有助于解決人類面臨的一些最大挑戰，將繼續致力于在量子計算方面的投資。” 無論如何，馬約拉納費米子事件都挫敗了微軟在量子計算領域競爭的雄心，在此之前微軟寄希望該技術將實現科學和工程學方面的新突破，并定義未來。

俘獲物理學權威的量子計算

普通（傳統）計算機使用位的集合來表示它們的狀態。每個位明確為 0 或 1，如果您有 n 個位，則可能的狀態數量為 2n。1 個位可能為 2 種狀態中的任一個，2 個位可能是 4 個狀態中的任何一個，如此等等。內存為 1MB 的計算機有1048576 種狀態，不包括 CPU 寄存器和外部存儲。這個數字很大，但它是有限的，可以計算。

量子計算機使用更復雜的數據表示，稱為qubit或量子位。每一個qubit可以處于狀態1或 0，但也可以處于1和0的疊加，這表示qubit同時處于兩種狀態。此類狀態可以通過包含一對復數的二維矢量指定，從而形成無限種狀態。每一個復數都是概率幅度，基本為 qubit 分別是0或1的概率。傳統計算機在給定時間可以處于這 2n 種狀態中的一種，但量子計算機可以同時處于所有狀態。

商業化該想法的主要挑戰是量子態很脆弱，容易被熱或電磁噪聲消除，從而使量子位容易出錯。為了跳過這個障礙，微軟設想的是一種拓撲量子計算機，這種架構的特點就是穩定，通過基本粒子的拓撲位置和拓撲運動來處理信息。就像遠古時代人類結繩記事，利用不同的節點繩子編織的（拓撲）結構的不同代表不同的信息，無論如何晃動繩子（微擾），信息的存儲都是穩定的。符合拓撲量子計算設想的基本物理粒子只有馬約拉納費米子，馬約拉納粒子的發現與否，直接決定了拓撲量子計算能否成功。

比特與量子比特

在微軟積極進行研究的同時，谷歌、IBM和英特爾都展示了約50量子比特的原型量子處理器，包括高盛和默克在內的公司也在測試該技術。但是有用的工作可能需要成千上萬的量子比特，量子計算機的大部分功能可能必須專用于糾正其自身的故障，但任何一家公司都會不斷地用一些小成績來宣示量子霸權。

2020年8月28日，谷歌的量子計算機登上了《Science》封面，內容是成功用12個量子比特模擬了二氮烯的異構化反應，這家巨頭宣布已達到一個稱為量子至上的里程碑，聲稱具有53個量子比特的芯片可以在數分鐘內完成統計計算，這將花費超級計算機上萬年的時間——這個實驗是在多項式時間內實現了對一個隨機量子電路的采樣，對一個53比特20個cycle的電路采樣一百萬次，用目前人類最強的超級計算機同樣情況下則需要一萬年，量子計算機只需要200秒。

左邊圖是經典計算機可以模擬的區域，右邊圖則是量子有優勢的區域。紅色數據點為最復雜的電路，綠藍代表兩種稍作簡化后的電路

亦即在這個問題上，量子實現了對超算的超越，而量子上為啥會比超算好也非常容易理解，用到的就是量子運算的并行性，即量子態可以是疊加態可以在多項式時間內遍歷整個希爾伯特空間（量子力學中，一個物理系統可以表示為一個復數希爾伯特空間，其中的向量是描述系統可能狀態的波函數），而經典計算機模擬的話需要的資源則是隨著比特數目指數增加的。

技術突破還需耐心

有人提出，有沒有可能是有些更好的經典采樣算法和量子的差不多，只是我們沒有找到呢？這里必須要認識到，我們離著實現量子計算的完全功力還有很遠的距離。硬件上有集成化的問題，比特數目增加后有空間不足等各種問題，遠遠不止我們圖中看到的一個小芯片那么簡單。再一個問題，比特數多了電路深度大了，怎么繼續提高保真度也是很大問題，最終實現容錯量子計算等等這些都是硬件上的挑戰。

與微軟研究人員合作的馬里蘭大學理論物理學家達斯·薩爾馬認為，目前的量子計算可能處于1926年晶體管第一項專利申請獲得批準的時刻，雖然專利得到認可，但直到1947年研究人員才制造出第一個工作晶體管，直到20世紀50年代末，才開發出了硅芯片的平面半導體組件，量子計算的技術可能還會花幾十年的時間，目前也并未有反面依據證明馬約拉納費米子不存在，這項頂尖運算能力作為全球科技熱點將依舊會高速發展。

谷歌 CEO 桑達爾·皮查伊和硅谷實驗室的量子計算機