量子计算有望帮助我们解决人类面临的一些最严峻的挑战。然而，我们仍处于这个新兴领域的早期发展阶段。目前，研究人员已经能够借助量子计算机开展一些有趣的研究项目，但仍受限于系统规模，无法开展更多的研究。现有的量子计算机依赖于多种类型的量子比特，但迄今为止还没有一个量子计算机能够扩展到足够多的量子比特来实现量子计算的全部潜力。微软正在采用一种更具挑战性但最终更有希望的方法来扩展量子计算——拓扑量子比特。从理论上讲，它会比现有方法产生的量子比特更稳定，而且不会牺牲尺寸或速度。我们已经能够生成拓扑超导相及其伴随的马约拉纳零模式，为构建可扩展的量子计算机扫清了一个主要障碍。这篇论文是对我们研究工作和方法的阐述，它表明拓扑量子比特背后的基础物理学是成立的——这项研究提供了对30μeV拓扑间隙的首次观察，为拓扑量子计算的潜在未来奠定了基础。尽管工程挑战依然存在，但这一发现为我们扩展量子计算机的方法奠定了基础，使微软朝着在Azure上创建量子计算机的目标迈出了关键一步。点击阅读原文，访问AzureQuantum，开始量子计算。微软量子团队观察到，InAlAs异质结构拓扑量子计算中存在的30μeV拓扑间隙是实现硬件级容错的途径之一，有望实现量子计算系统。拓扑量子位的保真度、速度和大小由称为拓扑间隙的特征能量控制。只有当人们能够可靠地生成物质的拓扑相并通过实验验证在拓扑相中确实存在量子位子组件（并准备好进行量子信息处理）时，这条路径才会奏效。这并不容易实现，因为拓扑相的特征是它们的基态存在长程纠缠，而传统实验无法轻易探测到这一点。我们团队在一年前提出了“拓扑间隙协议”TGP（topologicalgapprotocol）[1]，并将其作为识别量子输运测量中拓扑相的标准来解决这个问题。拓扑超导线的两端具有马约拉纳零模，并且在导线的两端都有一个实费米子算子，类似于埃托雷马约拉纳在1937年构建的实费米子波动方程。因此，存在两个相反的费米子宇称量子态，只能通过耦合到两端的相位相干探针来测量。在电气测量中，马约拉纳零模式（见图1）会导致局部电导出现零偏置峰值（ZBP：零偏置峰值）。然而，局部Andreev束缚态和无序也可能出现零偏峰。因此，TGP只关注高度稳定的ZBP。最重要的是，它使用非局部电导来检测体相变。这种相变必须存在于普通超导相和拓扑相之间的边界，因为它们是物质的两个不同相，如水和冰。▲拓扑超导纳米线的局部态密度随能量和位置的变化。我们使用包含材料堆叠、几何形状和缺陷等细节的模型来模拟我们的设备。仿真实验表明，TGP是检测器件拓扑相位的严格准则。更重要的是，传输协议的条件是在测量任何设备之前设置的，即在非局部电导建立无间隙边界的间隙区域中设备两端存在稳定的ZBP。TGP的设计原则之一是避免确认偏差，考虑到拓扑相识别中涉及的细微差异（源于缺少局部序参数）。特别是，设备会在其整个工作范围内进行扫描，而不仅仅是“搜索”所需的特性，例如单个ZBP。位于美国加利福尼亚州圣巴巴拉市的MicrosoftStationQ是微软量子项目的发源地。在过去的16年里，它一直是拓扑相和量子计算半年一次会议的主办方。在因COVID-19大流行而中断两年后，Q站面对面会议于3月初恢复。在来自工业界和学术界的量子计算领导者出席的会议上，微软宣布已经开发出多款能够通过TGP的设备。我们的团队测得的拓扑间隙超过30μeV。这是实验中噪音水平的三倍多，温度也高出类似的数量级。这是具有里程碑意义的科学进步，也是拓扑量子计算之旅中的关键一步。拓扑量子计算依赖于任意子的融合和编织（拓扑准粒子上的两个原始操作）。拓扑间隙决定了物质的潜在状态，为这些操作提供了容错能力。能够执行这些操作的更复杂的设备需要多个拓扑段，并依赖TGP作为其初始化过程的一部分。我们的成功取决于模拟、生长、制造、测量和数据分析团队之间的密切合作。在设备制造之前，对每个设备设计进行了模拟以优化超过23个不同的参数。这使我们能够在设计阶段确定设备的调试程序。我们的结果得到详尽的测量和严格的数据验证程序的支持。我们从局部和非局部电导的组合中获得了多个设备的大规模相图。我们使用来自混淆的TGP的模拟数据验证了分析过程，这使我们能够高度自信地排除各种零假设。此外，数据分析由与数据采集团队不同的团队领导，这是我们在团队内不同小组之间进行制衡的一部分。此外，我们的结果正在由一个独立的专家咨询小组进行审查，到目前为止，我们已经收到了非常积极的反馈。随着底层物理机制的展示，下一步是构建拓扑量子比特。我们设想，与其他量子位相比，拓扑量子位将结合速度、大小和稳定性。我们相信，在未来，它将能够为全面扩展的量子计算机提供动力，这将帮助我们充分发挥量子计算的潜力，以解决当今社会面临的最复杂、最紧迫的挑战。
