微软已经证明了创造一种新型量子位所需的基本物理原理

量子计算有望帮助我们解决人类面临的一些大挑战。然而，作为一个行业，我们仍处于探索可能性的早期阶段。今天的量子计算机使研究人员能够做有趣的工作。然而，这些研究人员经常发现自己受到这些系统规模不足的限制，并渴望做更多的工作。今天的量子计算机基于各种量子位类型，但到目前为止，还没有一个能够扩展到足够的量子位来完全实现量子的承诺。

微软正在采取一种更具挑战性、但最终更有前途的方法，利用拓扑量子位进行规模化量子计算。理论上，拓扑量子位比用现有方法产生的量子位更稳定，而且不会牺牲大小或速度。他们已经可以制造拓扑超导相及其伴随的马约拉纳零模式，为建造规模化量子机器扫清了一个重大障碍。下面对他们的工作和方法的解释表明，拓扑量子比特背后的基础物理是合理的——30 μeV拓扑间隙的观察是这项工作中的第一次，并且为拓扑量子计算的潜在未来奠定了基础。虽然工程上的挑战仍然存在，但这一发现证明了实现规模化量子计算机的基本构建模块，并使微软走上了在Azure中交付量子机器的道路，这将有助于解决一些世界上最棘手的问题。

拓扑量子计算是实现硬件级容错的一种途径，可能使量子计算系统具有高保真量子比特、快速门操作和单模块架构。拓扑量子比特的保真度、速度和大小是由一种称为拓扑间隙的特征能量控制的。只有当人们能够可靠地产生物质的拓扑相位，并通过实验验证量子比特的子组件处于拓扑相位（并准备好进行量子信息处理）时，这条路径才会打开。这样做并不是微不足道的，因为拓扑相的特征是其基态的远距离纠缠，这是传统实验探针不易接近的。

“拓扑间隙协议”（TGP）解决了这一困难，微软的团队在一年前提出了这一协议，作为通过量子输运测量识别拓扑相位的标准。拓扑超导导线在其末端具有马约拉纳零模式。在导线的每一端都有一个实费米子算符，类似于1937年埃托雷·马约拉纳构造的实费米子波动方程。

这一集的主角是高级首席研究经理Ahmed H. Awadallah，他的工作提高了大规模人工智能模型的效率，并努力帮助将研究领域的进步推向实践，这使他站在了人工智能新时代的最前沿。

因此，有两个相反的费米子宇称的量子态，只能通过耦合到两端的相相干探针来测量。在电测量中，马约拉纳零模式在局部电导中引起零偏置峰（zbp）。然而，局部安德烈夫束缚态和无序也会引起零偏峰。因此，TGP专注于高度稳定的zbp，并且至关重要的是，使用非局部电导来检测大块相变。这种转变必须出现在平凡超导相和拓扑相的边界上，因为这是物质的两种截然不同的相，就像水和冰一样不同。

他们使用包含材料堆叠，几何形状和缺陷细节的模型模拟了设备。模拟表明，TGP是一个非常严格的标准，使其成为检测器件拓扑相位的可靠方法。至关重要的是，通过协议的条件——通过非局部电导建立的，在器件两端具有无间隙边界的间隙区域上存在稳定的zbp——在任何器件被测量之前就已经建立了。考虑到识别拓扑相位的微妙之处，这源于缺乏局部顺序参数，TGP的设计原则之一是避免确认偏差。特别是，该设备在其整个操作范围内进行扫描，而不是“寻找”特定的所需功能，例如ZBP。

位于加州圣巴巴拉的微软Q站是微软量子项目的诞生地。在过去的16年里，它一直是两年一次的拓扑相位和量子计算会议的东道主。由于大流行，面对面会议中断了两年之后，Q站会议于3月初恢复。在这次与工业界和学术界量子计算领导者的会议上，微软报告说，他们有多个设备通过了TGP。

微软的团队已经测量到超过30 μeV的拓扑间隙。这是实验中噪声水平的三倍多，并且由于类似的因素大于温度。这表明它是一个健壮的特性。这既是一个里程碑式的科学进步，也是拓扑量子计算之旅的关键一步，拓扑量子计算依赖于任意子的融合和编织（拓扑准粒子的两种基本操作）。拓扑间隙控制着物质的底层状态为这些操作提供的容错性。实现这些操作的更复杂的设备需要多个拓扑线段，并且依赖于TGP作为初始化过程的一部分。他们的成功是基于模拟、增长、制造、测量和数据分析团队之间的密切合作。为了在制造前优化23个不同的参数，对每个器件设计进行了模拟。这使团队能够在设计期间确定设备谐调过程。

微软的结果得到了详尽的测量和严格的数据验证程序的支持。他们从局部和非局部电导的组合中得到了多个器件的大尺度相图。他们的分析程序在模拟数据上得到了验证，并试图欺骗TGP。这使团队能够以高置信度排除各种零假设。此外，数据分析由不同的团队负责，而不是由获取数据的团队负责，这是团队内不同小组之间进行制衡的一部分。此外，一个由独立顾问组成的专家委员会正在审查微软的结果，迄今为止的反应非常积极。

在证明了基础物理之后，下一步是拓扑量子位。他们假设与其他量子比特相比，拓扑量子比特将具有良好的速度，大小和稳定性组合。相信它最终将在未来为完全可扩展的量子机器提供动力，这反过来将使我们能够实现量子的全部承诺，以解决我们社会面临的最复杂和最紧迫的挑战。