微軟馬約拉納量子芯片及中外在拓撲量子計算新進展_風聞
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撰文 | 劉東、劉鑫、何珂、張富春
最近，微軟研究團隊在Nature上發表了一項研究“Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices”[Nature 638, 651 (2025)]。這一消息在新聞媒體中得到了廣泛報道，同時也帶來了一些爭論。我們也注意到Nature公開的信息顯示部分審稿人反對該論文的發表。實際上，該論文涉及在InAs–Al混合納米線器件中進行的干涉單次奇偶費米數測量實驗，展示了一種新的實驗技術，用於測量通過馬約拉納零模編碼的費米子奇偶性，為拓撲量子計算技術基礎的構建邁出了關鍵一步。儘管這一實驗尚未能直接驗證納米線中馬約拉納零模的拓撲特性，但它為基於拓撲保護的量子比特信息讀取技術奠定了重要基礎，有望在未來對容錯量子計算發揮關鍵作用。此外，對於微軟在官網發佈的Majorana 1的拓撲量子比特芯片新聞稿，由於其未提供實驗數據，無法做出科學評判，並不在本文討論之列。
拓撲量子計算的挑戰
拓撲量子計算作為量子計算領域的前沿方向，對於實現容錯量子計算在理論上具有巨大潛力，但在實際實現上面臨諸多技術挑戰。與傳統的超導量子計算、中性原子量子計算、光子量子計算和離子阱量子計算不同，拓撲量子計算的核心在於利用馬約拉納零模進行量子信息的存儲和處理。馬約拉納零模是一種具有非阿貝爾交換統計性質的零能量準粒子，其獨特的物理特性使其具有天然的拓撲保護性和容錯性，為構建穩健的量子比特提供了理論基礎。
微軟量子團隊一直致力基於InAs–Al混合納米線體系進行拓撲量子計算研究。然而，基於該體系的馬約拉納零模實驗驗證仍存在重大挑戰，納米線的電子遷移率不夠高，觀測到的零模有其他非拓撲機制的可能性。
在這一背景下，微軟團隊提出了一種基於干涉的單次費米子奇偶測量方法，這是一個很有意義的技術進展，為拓撲量子比特的設計和量子信息讀取提供了一個新的實驗框架。需要注意的是，儘管這一方法展示了拓撲量子比特讀取方案的可行性，但由於未能直接驗證馬約拉納零模的存在，它在證明馬約拉納零模的拓撲特性方面存在一定的侷限性。
微軟團隊的實驗設計與技術突破
微軟Nature論文的核心實驗是，採用三量子點干涉儀架構和射頻反射測量技術，通過量子電容測量實現單次費米子奇偶性測量。這一測量方法可以即時捕捉量子點的奇偶性切換，通過對量子電容變化的干涉測量，實驗團隊能夠實現對費米子奇偶性的精確讀取。通過這些測量，研究人員成功地測得了週期為h/2e的費米子奇偶性切換信號，並觀察到毫秒級的翻轉時間，這是該領域中的一項重要進展。翻轉時間尺度與拓撲量子比特的準粒子中毒事件密切相關，因此可以用來描述拓撲量子比特的相干性衰減。當然，量子比特的壽命還可能受到馬約拉納零模之間的耦合和環境噪聲等其他因素的影響。
與過去的實驗相比，微軟團隊的貢獻在於突破了傳統的時間平均測量方法，成功實現了單次測量。在單次測量中，實驗僅通過一次測量就能獲得所需的結果，而無需依賴時間平均，因此能夠大幅度提高測量速度和精度。這項技術突破使得高精度射頻測量能夠探測到非常微小的費米子奇偶性變化，從而為拓撲量子比特的讀取測量提供了更清晰的方向，未來拓撲量子計算系統能夠利用這一技術提高測量精度和讀取速度。
儘管該實驗取得了顯著的技術進展，但結果並未直接證明馬約拉納零模在納米線器件中的存在。正如一位審稿人所指出，儘管實驗與馬約拉納模型高度一致，但仍無法排除非拓撲Andreev束縛態的可能性，因此學術界對實驗結果的解讀仍存在爭議。
此外，根據微軟的設計方案，拓撲量子比特的尺寸較小，僅約5微米×3微米，因此在一塊1英寸大小的芯片上可容納百萬級的物理量子比特，從而降低對芯片間遠程互聯的需求。這樣一來，未來的拓撲量子計算架構可以更專注於芯片內部的比特集成與操控，避免當前大規模超導量子計算所面臨的芯片間互聯挑戰。
微軟團隊成果的啓示
微軟團隊在拓撲量子計算領域取得的重要進展，主要體現在單次奇偶性測量技術的實驗實現和新型器件設計優化。該進展雖然尚未確證馬約拉納零模的存在，但成功展示了拓撲量子系統可控性的顯著提升，不僅為量子計算提供了新的實驗工具，也為未來的融合實驗鋪平了道路。如果能夠實現馬約拉納零模的直接觀測，並通過實驗驗證其拓撲特性，那麼微軟團隊的這一進展將加速拓撲量子比特的實現，為量子計算提供一個新的可能性。因此，未來拓撲量子計算的研究應集中在器件優化、零能態穩定性和更精確的實驗測量上。
微軟之外的其他研究團隊進展
荷蘭代爾夫特理工大學的Kouwenhoven教授是利用納米線系統構建馬約拉納零能模的研究先驅。近年來，他的團隊探索了一種新方法，利用InSb半導體納米線中的量子點鏈構建人工Kitaev鏈 [Nature 614, 445 (2023)]，併成功觀測到了“窮人版（poor man’s）”馬約拉納態。（在物理學文獻中，“窮人版”這一表述是一種自嘲式的學術命名，特指在資源有限或技術不完善條件下，通過簡化/替代方案，在犧牲某些理想性質的前提下實現核心物理效應的研究方法。）這一研究為拓撲量子計算的可擴展性奠定了重要基礎，並提供了一個新的實驗平台，以進一步探索非阿貝爾任意子及其相關物理。相比於傳統的納米線方案，Kitaev鏈方案降低了馬約拉納零能模的觀測難度，並拓寬了參數空間的探索範圍，有助於更深入地研究其現象學特徵。然而，可調控參數的增加也帶來了一些實驗上的新挑戰，例如系統的可擴展性問題。該方案在器件中實現穩定的多個馬約拉納態或構建拓撲量子比特面臨更嚴峻的技術挑戰。
中國在基於納米線的拓撲量子計算方面的進展
儘管中國在納米線拓撲量子計算領域起步較晚，但近期在合肥國家實驗室和北京市科委的大力支持下，清華大學、中國科學院半導體研究所、北京量子信息科學研究院、中國科學院物理研究所的研究團隊在該領域，特別是在最關鍵的納米線材料和器件優化上，已取得了一些重要成果。
在InAs-Al納米線拓撲量子計算的研究方面，中國科學院半導體研究所潘東和趙建華團隊自2011年起致力於高質量半導體-超導納米線的可控制備研究。該團隊首創在Si襯底上外延出高質量純相超細單晶InAs納米線，隨後發展了低温原位外延技術，在InAs納米線側壁成功外延超導金屬Al，且InAs與Al均具備高晶體質量，界面平整度達原子級。與清華大學合作，團隊首次探索了馬約拉納納米線研究中的一個新實驗維度——更細的納米線直徑，這為實現單一子能帶佔據（從準一維到一維）奠定了基礎。此外該團隊在提高InAs-Al納米線材料和器件質量後，成功觀測到量子化零偏壓電導峯，並在電導平台附近（5%精度範圍內）觀察到量子化現象，是近期納米線量子器件中的重要進展之一。
近年來，清華大學何珂團隊及其合作者研究了一個新的馬約拉納納米線候選體系——IV-VI族半導體PbTe-超導雜化納米線，受到了廣泛關注，並取得了快速的研究進展。PbTe在低温下具有較大的介電常數，能夠有效屏蔽缺陷電荷的影響，同時，它與高質量商業化襯底CdTe具有良好的晶格匹配。這些優勢使得PbTe有潛力突破納米線樣品質量提升的瓶頸，成為研究馬約拉納零能模和拓撲量子計算的理想平台。該團隊已經發展出了平面PbTe納米線和PbTe-超導納米線的規模化製備技術，所製備的PbTe納米線在超過1.7微米的長度範圍內表現出電子彈道輸運，表明樣品質量極為優異。最近，他們在平面PbTe-超導器件中成功觀測到了穩定存在且電導接近量子化的零能電導峯，表明該材料體系已經滿足進行馬約拉納零能模三端實驗以及構建拓撲量子比特器件的條件。未來幾年，該體系有望為觀察馬約拉納零能模的確定性實驗證據並實現拓撲量子比特提供有力支持。中國科學院物理研究所呂力和沈潔團隊及其合作者發展了超導/III-V族半導體的界面優化工藝，在鉛-銻化銦納米線等器件中觀測到較強的超導近鄰效應。
中國在基於馬約拉納渦旋態拓撲量子計算方面的研究進展
在國際上，中國團隊最早開展研究馬約拉納渦旋態研究，並在該領域保持世界領先地位。上海交通大學李政道研究所賈金鋒團隊和丁洪團隊、中國科學院物理研究所高鴻鈞團隊、中國科技大學封東來與復旦大學張童聯合團隊等分別最早在超導/拓撲絕緣體異質結和鐵基高温超導中觀測到馬約拉納渦旋態信號。
近年來，該方面研究得到合肥國家實驗室，中國科學院和上海市科委的大力支持，加速了馬約拉納渦旋態相關研究的關鍵性進展。近期，丁洪團隊和高鴻鈞團隊基於FeSeTe和LiFeAs等鐵基超導材料發展了應力調控馬約拉納渦旋態技術，製備了高質量鐵基超導量子器件（例如鐵基超導約瑟夫森結），並規劃了基於鐵基超導納米線的拓撲量子計算路線。這些研究將基於鐵基超導拓撲量子計算研究推進到關鍵的量子器件層面，為在未來幾年驗證馬約拉納渦旋態的非阿貝爾統計屬性和實現拓撲量子比特提供了堅實的技術基礎和路線指引。
結束語
總的説來，微軟團隊的這一成果代表了拓撲量子計算領域的一次重要技術突破。儘管當前的實驗結果還無法完全確認馬約拉納零模的存在，但新的實驗結果為拓撲量子計算的發展提供了新的視角和實驗基礎。拓撲量子計算的核心優勢在於天然的拓撲保護機制帶來的內稟量子信息錯誤糾正，這使其在容錯量子計算方向具有獨特潛力。未來，隨着材料和器件優化和實驗方法的不斷進步，拓撲量子計算有望成為量子計算的一個重要方向，並在容錯量子計算領域發揮作用。拓撲量子計算仍處於發展的初期階段，但這一進展無疑為未來的量子計算架構提供了極具前景的技術基礎。
2025年2月23日
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