正值中國新春佳節，微軟量子計算的事兒如同餃子“餡兒”，耐人尋味，在大年初二時，量子客為您“包上”。
祝訂閱者在新的一年，萬事如意。
本文閱讀目錄：
01. 獨家量子夢
02. 頭號陣列，不幸“陣烈”
03. 事有蹊蹺的質疑
04. 停止誤導，終止錯誤
05. 微軟“天使夢”挫敗
06. 天使粒子的起源
07. 微軟拓撲量子計算之路
08. 穩步進展的量子計算
09. 途中救火，對沖下注
10. 憂傷的夢，仍需耐心
11. 關于拓撲量子計算機
12. 后記
正文：
研究人員在2018年的一篇論文[1]中說，他們發現了難以捉摸的理論粒子的證據，但是現在進一步的研究表明，情況并非如此，事與愿違。
2018年3月，荷蘭物理學家、微軟員工 Leo Kouwenhoven 發表了引人注目的文章，新的成果提供了“證據”，證明他觀察到了一種稱為馬約拉納費米子（Majorana Fermion）的“天使”粒子。
圖1 | 論文（來源：Nature）
1.獨家量子夢
微軟為此，傾盡全力，獨家開展， 希望利用馬約拉納費米子來建造一臺量子計算機，這臺計算機將利用超級古怪的物理學原理，來獲得前所未有的新能量。
競爭對手 IBM 和谷歌已使用更成熟的低溫超導量子技術制造量子計算原型機。乘著Kouwenhoven 的發現，使微軟有機會迎頭趕上，加入頭號競爭陣列。
2.頭號陣列，不幸“陣烈”
2019年5月，微軟公司量子計算業務發展總監Julie Love曾向外界透露提到，微軟將在“五年內”擁有一臺商用量子計算機。聽起來振奮人心，但結果令人遺憾，微軟在雄心勃勃的頭號陣列中不幸“陣烈”。
三年后的今天，微軟2018年雄心壯志計劃宣告失敗。上個月末，Kouwenhoven 和他的21位合著者發表了一篇新論文[2]，其中包括了他們實驗中的更多數據。
報告的結論是，他們終究沒有找到這種珍貴的粒子。早期提交的原始的論文，發表在《Nature》雜志上也將被撤回，撤回理由是“技術錯誤”。
3. 事有蹊蹺的質疑
行業專家也提出了質疑，當然研究團隊本身是通過自我否定的方式把早期媒體上宣傳的數據予以排除。
引匹茲堡大學教授 Frolov的描述，“我不確定他們在想什么，他們跳過了一些與論文直接矛盾的數據，從更全面的數據來看，毫無疑問，沒有馬約拉納粒子。”
而2018年的論文，與早期2012年的一項結果做了模糊的研究對比后，確信馬約拉納粒子的證據確鑿，但事有蹊蹺。
4. 停止誤導，終止錯誤
盡管如此，這項研究還是為Kouwenhoven和他在代爾夫特技術大學的實驗室贏得了巨大聲譽，項目的部分資金來自微軟，微軟公司在2016年聘請Kouwenhoven為馬約拉納粒子項目工作。
微軟提供了一份據稱是 Kouwenhoven 的聲明，稱他不能發表評論，因為重新解釋他的團隊成果的新論文正在接受同行評議。
微軟對外公開道: “規模化量子計算有助于解決人類面臨的重大挑戰，微軟將繼續致力于量子計算的投資，投資計劃不會因此受到阻礙。”
2020年4月，《Nature》雜志在2018年的論文中就加入了“社論”標識，一位發言人本周表示，該雜志正在與作者協作合作解決這個問題。
代爾夫特技術大學的發言人則表示，該校研究誠信委員會于2020年5月開始的調查尚未完成。當然可以預見的是，最終報告可能會發現，代爾夫特的研究人員犯了一些錯誤，但并不打算進行誤導，繼續讓錯誤延伸下去。
5.微軟“天使夢”挫敗
無論發生了什么，馬約拉納費米子的鬧劇對微軟在量子計算領域的競爭雄心來說都是一個挫折。
領先的計算機公司都表示，這項技術將通過在科學和工程領域實現新的突破來定義未來。當下，量子計算機商業化面臨的一大挑戰是，量子態非常脆弱，很容易被外界干擾。詳情參閱《精，一文讀懂量子計算》。
圖2 | 比特與量子比特（來源：towardsdatascience）
谷歌、 IBM 和英特爾都展示了大約50個量子比特的量子處理器原型機，包括高盛和默克在內的公司也正在測試這項技術。但是有用的量子計算系統可能需要成千上萬，甚至百萬級量子比特。
微軟一直聲稱采取的獨門絕技，基于馬約拉納粒子的量子比特將更具可擴展性，允許其超越超導量子計算的糾錯苦惱，但是經過十多年的研究，一個量子比特也沒有做到。
6. 天使粒子的起源
馬約拉納費米子是以意大利物理學家馬約拉納的名字命名的，馬約拉納在1937年假設粒子應該以它們自己的反粒子的奇特性質而存在。
就在此論提出不久之后，他登上了一艘船，仙蹤而去，再也沒有出現過。
直到下一個世紀，物理學家們才在匹茲堡大學Kouwenhoven 的實驗室里，發現了與他同名的粒子。
7. 微軟拓撲量子計算之路
早在2004年，全球互聯網中應用才走入新紀元，然而微軟公司的研究人員，就找到了技術戰略負責人Craig Mundie ，說他們有辦法解決阻礙量子計算機發展的量子比特的不穩定性問題。
之后，微軟興致勃勃，對馬約拉納費米子產生了興趣，并一發不可收拾。
當時的研究人員利用理論物理學的論文，提出了一種建立量子比特的新方法，使它們更加可靠穩定。
這些所謂的拓撲量子比特將圍繞著不尋常的粒子構建，例如馬約拉納費米子粒子，它們可以在非常低的溫度下以電子簇的形式存在于特定的材料中。
微軟為此創建了一個由物理學家和數學家組成的新團隊[3]來充實拓撲量子計算的理論和實踐，這個團隊以加利福尼亞州圣巴巴拉的一個前哨站為中心，命名為Q站（Station Q）。
他們與全球一流的實驗物理學家合作并資助他們尋找構建這種新型量子比特所需的粒子。
圖3 |微軟Station Q（來源：微軟）
代爾夫特的 Kouwenhoven 是得到微軟支持的物理學家之一。他在2012年發表的論文[4]報告了納米線內馬約拉納粒子的“特征”。
消息一出，引發了人們對未來諾貝爾獎的熱議，因為諾貝爾獎證明了難以捉摸的粒子存在。
因此，2016年，微軟在此基礎上煽風點火，更是加大了投資和宣傳力度。
Kouwenhoven和哥本哈根大學另一位著名的物理學家Charles Marcus被雇傭為馬約拉納粒子的企業操盤手。
他們的計劃首先是探測這些粒子，然后發明更復雜的裝置來控制它們，并以量子比特的形式發揮量子計算的作用。
Todd Holmdahl在此之前主要負責微軟利潤豐厚的 Xbox 游戲機的硬件，而現在接任拓撲量子計算項目的負責人。
2018年初，他告訴《巴倫周刊》[5] ，他們將在2018今年年底擁有一個拓撲量子比特（要知道，一個拓撲的物理比特，幾乎等于一個邏輯量子比特）。一個月后，這份備受爭議的報紙仍舊公開出版。
8. 穩步進展的量子計算
當微軟傾盡全力在尋找“夢中天使粒子” 的時候，競爭對手在已有的量子比特技術上取得了穩步的進展。
2019年，谷歌宣布它已經達到了一個被稱為“量子霸權（quantum supremacy）”的里程碑，展示了一個53量子比特的芯片可以在幾分鐘內完成一個統計計算，這將花費超級計算機數千年的時間。
圖4 | 谷歌量子計算機（來源：谷歌）
而后的一年里，IBM、英特爾等公司在超導技術路線上也不斷出新。而基于離子阱技術的霍尼韋爾更是高調宣布其全球第一強的離子阱量子計算機，一騎紅塵黑馬，IonQ半路殺出，刷新了量子計算的QV（量子體積）量子指標，重新定義了衡量指標。（《全球最強量子計算機，到底強在哪兒》《IonQ發布QV400萬超強量子計算機》）
中國公司也在量子計算領域，后來者搶眼。以初創公司為例的本源量子（該公司采用低溫超導量子計算技術路線），在其對外的宣稱中，很快也將要達到60Q的量子比特數，在軟件構建方面，比如操作系統（參閱《司南，斯甚難！品觀首款國產量子計算機操作系統發布》），也不斷上新。
超導技術路鮮為人知的就是，將QPU裝置稀釋制冷機里冷凍到幾乎絕對0度，以達到穩定控制量子比特的目的。
人們常見的各家量子計算機配備的“大桶”，即是低溫主體，都是由諸如牛津儀器這樣的公司提供，但是一部分公司因為設備需求，需自己獨家定制更大體積的制冷機，比如IBM公開的超級大桶。
圖5 |牛津儀器新一代Proteox稀釋制冷機（來源：牛津儀器）
9. 途中救火，對沖下注
基于不斷擴張的低溫超導技術突破，微軟似乎覺察到此前策略有患，于是采用對沖方式，下注量子計算賭注。
宣布通過云服務 Azure 提供其他公司的量子硬件訪問，諸如霍尼韋爾，IonQ以及超導的QCI，并且與1Qbit等企業在軟件層上深度合作《微軟里程碑，量子云平臺現已允許公開訪問，但費用高昂》。
圖6 |微軟Azure Quantum（來源：微軟）
而據《華爾街日報》報道[6]，Todd Holmdahl在錯過內部截止日期后，當年就離開了這個項目。
自Holmdahl離職以來，微軟對量子硬件的預期進展速度，一直保持沉默。
10. 憂傷的夢，仍需耐心
當然，縱觀全球態勢，量子計算領域的競爭對手都繼續吹捧自身硬件的進步，無一例額外。
各公司并敦促軟件開發人員，開發云平臺，以通過互聯網訪問遠在實驗室里的原型機。但遺憾的是，似乎沒有一家公司能夠在黃金時間內，制造出一臺可用的量子計算機。
匹茲堡大學的研究人員 Frolov 再次提到，圍繞 Kouwenhoven 在2018年論文的問題，留下了一個物理學的小領域，專門用于探測 Majoranas，當然聚焦期望后需要“療養”。
他表示: “有良好的科學依據，是合理的期望，而不是神奇的期望。”但是無論如何，該組織都應該公布其實驗的全部原始數據，供外界審查。
Frolov和澳大利亞新南威爾士大學的Vincent Mourik一起研究了這些額外的數據，Mourik說他和Frolov有同樣的擔憂。
在被微軟雇傭之前，他們都曾在代爾夫特與 Kouwenhoven 共事，包括2012年關于“天使粒子”的論文。
馬里蘭大學學理論物理學家 Sankar Das Sarma 與微軟的研究人員合作，他也相信這項技術最終會成功，但可能需要一段時間。同時，他也是2018年備受爭議的論文和上個月發布的新版本文章的共同作者。
Das Sarma 說，過去幾年發展起來的新理論表明，2018年使用的方法無論如何都無法確定馬約拉納粒子的存在。還需要更純凈的材料，更復雜的實驗，以及更多的科學理論進步，仍舊是漫長的長征路。
而對于微軟的量子比特，離這個目標還有多遠尚不清楚，也許明天，也許久遠。
基于馬約拉納粒子的量子計算可能處于類似于1926年第一個晶體管專利申請的階段。直到1947年研究人員才制造出第一個可工作的晶體管[7]。
而使計算機工業得以實現的可小型化硅版本，直到20世紀50年代后期才被開發出來。
Das Sarma對外的討論中也提出了自己的疑問：我個人看不出為什么馬約拉納費米子不能存在，或者一旦存在就無法控制。路漫漫，可能需要30年的時間。
而在2020年3月，量子信息領域教父級人物John Preskill，和已故的路易斯安那州立大學教授Jonathan Dowling，兩位頂級科學家就拓撲量子計算能否在2030年之前亮相世人這一問題開啟的“神仙打架”模式，參閱《量子神仙打架，兩大牛物理學家公開打賭拓撲量子計算機十年將落地》。
圖7 |左John Preskill，右Jonathan Dowling（來源：量子客）
兩名物理學家在Twitter上公開打賭十年后的今天，是否有人會發明出物理學家長期以來幻想的機器：拓撲量子計算機，賭注是一張披薩和一瓶啤酒。
Preskill是著名的量子信息學家，量子霸權和NISQ這些專有名詞都來源于他。這個十年“豪賭”中，Preskill賭“Yes”；Dowling下注“NO”。
如今看來，幾多無奈，還需等待“新天使”。
就在本文發布前，Preskill發推表示：我在文章中的引用仍然適用，我相信我們將來會使用拓撲量子計算機，但是時間范圍仍然非常不確定。
圖8 |Preskill推文（來源：推特）
11. 關于拓撲量子計算機
拓撲量子計算機由俄裔美國物理學家Alexei Kitaev于1997年首次提出，由于其特有的物理性質，可用來制備處理信息的物理比特。
拓撲量子計算的支持者稱，拓撲量子計算具有最大的優勢是它們不需要太多的量子糾錯，而量子糾錯對于傳統量子計算來說就是噩夢。
比如當人們需要這些量子計算機去執行復雜算法時，超導量子比特可能會意外影響其相鄰比特的屬性，從而產生錯誤，且研究人員難以進行完全的糾錯，但是，拓撲量子計算機卻可以抵抗這種類型的錯誤。
這也是為什么科學家夢寐以求，期望能夠開發拓撲量子計算機的緣故。
12. 后記
量子計算的技術路線，至今仍然沒有具體的定論，但是從各大穩定企業以及研究機構看來，低溫超導量子計算被寄予了厚望。
曾經有知名人士閑聊時討論，各家量子技術技術路線時，稱量子計算的研發如登月計劃。一眾低溫超導玩家是在搭梯子去月球，只有微軟再造火箭，真正能通往月球。
如今看來，萬事仍舊平地起，實干興邦方未來，在萬千名人甚至權威專家的斷論里，仍舊需要時刻保持理性。
當然，新的方案仍然在不斷探究中，人類歷史里，從來就不缺“越挫越勇”的往事。指不定一波三折后，守得云開見月明，真“天使”出現。
-The end-
引用：
[1]https://www.nature.com/articles/nature26142
[2]https://arxiv.org/abs/2101.11456
[3]https://www.technologyreview.com/2014/10/10/73961/microsofts-quantum-mechanics/
[4]http://science.sciencemag.org/content/early/2012/04/11/science.1222360
[5]https://www.barrons.com/articles/microsoft-we-have-the-qubits-you-want-1519434417
[6]https://www.wsj.com/articles/quantum-computing-remains-a-challenge-for-tech-firms-11578345473
[7]https://www.computerhistory.org/siliconengine/field-effect-semiconductor-device-concepts-patented/#:~:text=Polish%2DAmerican%20physicist%20and%20inventor,called%20a%20field%2Deffect%20transistor.
[8]hhttps://www.wired.com/story/microsoft-win-quantum-computing-error/amp
封面：ARIEL DAVIS
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