2018年3月，微軟的研究人員給出發現馬約拉納費米子存在的有力證據，對量子信息科學的發展具有重大意義，但量子計算的發展仍有很長的路要走。量子計算就像是我們這個時代的登月計劃。近期，這項工作的一作張浩來到微軟亞洲研究院，與大家分享了他在拓撲量子計算領域進行的研究和量子計算的前沿進展。以下內容為他的演講內容整理稿。
今天我分享的主題是“拓撲量子計算”。大家可能會覺得奇怪，為什麼我一個物理領域的人會來研究一個似乎是計算機科學的方向（量子計算）。其實，我們仔細考慮一下計算機的發展，最早期的晶體管都是物理學家實現的。而我實驗中所用到的納米線也可以看作是一個晶體管的器件，兩端是兩個電極，中間是一個半導體，下面有一個門電壓。在上面加一個負電壓會把半導體中電子都排斥走，這時電阻會變大，電阻的高和低可以代表信息的0和1。而我們要做的就是是一個量子化的晶體管效應。
量子計算
什麼是量子計算？回答這個問題，需要了解一個概念，那就是“薛定諤的貓”實驗。薛定諤在上世紀三十年代做了一個思想實驗，假如在一個密閉的空間裡面有一隻貓和一個處於量子狀態的同位素，同位素有50%的可能性衰變，也有50%的可能性不衰變，而且它可能同時處在衰變和不衰變的疊加狀態。同位素衰變會觸發毒氣釋放，將貓毒死。根據同位素的衰變和不衰變，可以判斷這個貓有50%的可能性是死的，50%的可能性是活的。
量子計算與經典計算最大的不同在於其隨機狀態。經典計算機在進行運算時會將一個任務分解成不同的指令，再逐條執行每一個指令。而量子計算機因為有“疊加態”的存在，可以同時執行多個指令，因此在因數分解等任務中，量子計算機的計算速度要高於經典計算機。在密碼學領域，如果有一臺足夠強大的量子計算機，就可以用Shor算法來分解因子，使得量子計算機很容易破解目前廣泛使用的密碼，進而推動密碼系統、銀行系統的變革。在醫學領域，利用高速計算的量子計算機可以推演出化學物質的性質，用於尋找新的藥物。
儘管對量子計算機有許多質疑的聲音，但是量子計算機並不違反任何現有的物理學定律(這一點不同於永動機之於熱力學第二定律)，並且在理論上是可以實現的。目前，多國政府和企業都對量子計算研究投入了大量的財力和人力，主要的參與者包括IBM、谷歌、英特爾和微軟，近兩年中國企業（如阿里巴巴等）也開始涉足。我們組對量子計算的研究主要集中在硬件方面，也就是量子計算的實現途徑。目前世界上已有多種實現方案。比如利用電子存在自旋的現象，可以根據電子旋轉的不同方向（左或右）來定義量子比特的0和1。另一個方案是超導量子比特，也是谷歌和IBM等企業主要做的一個方案。超導量子比特的一個實現形式就是在由超導體構建的電路中，根據電流的流動方向（順時針和逆時針）來定義量子比特。
拓撲量子計算
量子計算機為什麼經過那麼多年的努力，目前仍沒有實現呢？其中的關鍵問題就在於量子疊加態的不穩定性。量子疊加態一旦受到微擾，就會立刻坍縮回經典狀態，而不能進行量子計算，這也就是所謂的退相干效應。由於一般的量子計算的量子比特信息是存儲在局域的地方，局域的噪音會對信息產生影響，那我們能不能把信息存儲在一個非局域的地方？這樣的話，信息就會對局域的噪音不敏感。
拓撲量子計算就是要解決這個最基本的問題。當一個物體通過連續的形變可以變到另一個物體時，那我們在拓撲意義上，就認為它們是等價的。基於這個概念，我們可以將信息周圍的的噪音看成是對它的微擾，不會改變拓撲結構。
為什麼拓撲量子計算是穩定的呢？就像在結繩記事中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，在量子計算中，我們需要找到一種特殊的粒子，讓這幾個粒子在時間空間上進行交換，它們的軌跡就相當於在繩子上打不同的結，從而代表著不同的信息。信息的存儲只依賴於交換順序而不依賴於交換的具體路徑，所以拓撲量子計算對局部的微擾是免疫的。
剛才提到的那種特殊的粒子叫做“馬約拉納費米子”，現在主要的問題就是我們如何在實驗上創造出這種粒子。
馬約拉納費米子
馬約拉納費米子以意大利的物理學家馬約拉納命名，他在1937年解物理學方程的時候，發現了一種新的粒子，這種粒子的反粒子就是它本身。
那麼如何構建馬約拉納費米子呢？類比半導體中“空穴”的概念：在半導體中，電子的反粒子是空穴，就是沒有電子。回到量子疊加態的概念，假如說我們能夠創造出一種量子疊加態，這個粒子有一半的概率是在電子，一半的概率是在空穴，這樣的一個疊加態滿足“粒子等於反粒子”這一定義，就是馬約拉納費米子（相當於半個電子），而每一個電子都可以看成是兩個馬約拉納費米子的疊加。
Kiteav最早在理論上設計了一個系統，在這個系統中，我們可以將電子”劈”成兩半，具體是如何實現的呢？我們可以把電子合成一串，在電子之間引入一種特殊的超導相互作用，將兩個馬約拉納費米子連接在一起形成一個電子串，在這一串的兩端各留一個馬約拉納費米子，也就是兩端各有半個電子。這兩個半個電子，它們非局域地組成一個電子，這樣在物理時空間上，就相當於把一個電子劈成兩半，也就可以探測到單個馬約拉納費米子。
在實際實驗中，首先需要一個電子串；其次需要自旋和運動間的相互作用；最後還要加入超導，超導體的作用就是將每兩個電子配對。在這個器件上搭上電極檢測電阻大小隨電壓的變化，從而探測馬約拉納費米子的存在。最初的實驗探測到的電學信號值遠低於理論預言值，從而一定程度上引起人們擔憂其可否作為馬約拉納費米子存在的確鑿證據，因為也有可能有其它的物理現象會得到類似的信號。我的主要工作就是把所有的其他因素都排除掉，確定這個信號絕對是馬約拉納費米子導致的。我們對器件的加工製備工藝等進行了大量改進，最終測量到的電學信號的峰值完美的符合理論預言，也就最終證明了馬約拉納費米子的存在。
得到了馬約拉納費米子之後，下一步就是怎麼做拓撲量子計算。微軟提出的實現方案是在多根納米線的網格中尋找馬約拉納費米子，並利用周圍的門電極（Gate）來控制它們，移動它們進行交換編織操作，從而進行量子計算。它們面對噪音的干擾，表現應該是非常穩定的，可以從根本上解決退相干問題。
最後總結一下，經過這麼多年的努力，我們認為馬約拉納費米子是真實存在的，下一步就是要做一個拓撲量子計算機。如果把馬約拉納費米子的發現比作牛頓定律的話，那麼真正商用的拓撲量子計算機的難度就好比登月，它們之間還有許多技術上和工程上的困難需要去克服，但這也是值得我們花費時間和精力去實現的。隨著這些年我們在硬件層面的一系列里程碑式的突破，我對接下來幾年拓撲量子計算的發展持非常樂觀的態度。
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