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微软拓扑量子计算梦碎?三年前Nature研究有误,未发现马约拉纳费米子

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  机器之心报道

  编辑:杜伟、魔王

  

微软量子团队报以厚望的「马约拉纳费米子」研究竟然是错误的!这篇 2018 年发表在 Nature 上的文章遭到了质疑。

  2018 年 3 月,荷兰物理学家、微软员工 Leo Kouwenhoven 等人发表论文,称观察到了难以发现的粒子——马约拉纳费米子(Majorana fermion)。

  

  论文链接:https://www.nature.com/articles/nature26142

  马约拉纳费米子是一种费米子,它的反粒子就是它本身。1937 年,意大利物理学家埃托雷 · 马约拉纳发表论文假想这种粒子存在,因此而命名。许多科学家认为这种粒子是解决量子比特不稳定性的优质方案之一,并有望应用于拓扑量子计算机。

  微软希望借助马约拉纳费米子构建量子计算机,当时 IBM 和谷歌已经利用更成熟的技术构建了不错的原型,Kouwenhoven 的这一发现使得微软有希望迎头赶上。微软量子计算业务开发负责人 Julie Love 曾表示,微软将「在五年内」构建商业化量子计算机。

  然而三年过去,微软 2018 年的发现却被证明失败了。一月末,Kouwenhoven 和 21 位共同作者发表了一篇新论文,该论文纳入了更多实验数据。结论是,他们最终没有发现马约拉纳费米子。作者在附注中表示,此前发表在 Nature 上的文章将以「技术错误」为由撤回

  该领域两位物理学家表示,他们对该研究提出质疑后,Kouwenhoven 组提供的额外数据表明该团队移除了不符合其结论的数据点。匹兹堡大学教授 Sergey Frolov 表示,「我不知道他们在想什么,但他们跳过了一些与该论文观点相矛盾的数据。从更完整数据来看,毫无疑问他们没有找到马约拉纳费米子。」

  相比于 Kouwenhoven2012 年的研究,这篇 2018 年的论文称发现了更坚实的证据表明马约拉纳费米子是存在的。这篇论文为 Kouwenhoven 及其在代尔夫特理工大学的实验室赢得了巨大声誉。该研究项目受到微软公司的部分资助,2016 年微软聘请 Kouwenhoven 研究马约拉纳费米子。

  2018 年的这篇论文称,在通过极低温半导体线的电流中看到了马约拉纳费米子的存在信号——「零偏峰」(zero-bias peak)。

  Frolov 表示,他在未公开数据中看到了很多问题,包括偏离主线但被论文忽略的数据点。如果纳入这些数据点,则结论完全不同——马约拉纳费米子并未出现。Frolov 的这一观察在 Kouwenhoven 上个月发布的新论文中有所提及,但并未解释之前删除这些数据点的原因。他们承认,试图通过实验验证特定的理论预测「有可能带来确认偏误,得到假阳性的证据」。

  

  Sergey Frolov 发推质疑这项研究,详情参见 https://twitter.com/spinespresso。

  Kouwenhoven 在一份声明中未作回应,因为重新解释其研究发现的新论文尚在同行评审阶段。他表示:「我们相信,规模化量子计算将有助于解决人类面临的一些巨大挑战,我们仍将继续投入量子计算领域。」

  去年三月,Nature 为这篇 2018 年论文添加了「编辑关切声明」,不久前 Nature 发言人称「正与作者一道解决问题」。代尔夫特理工大学发言人表示,2020 年 5 月起该校科研诚信委员会已展开调查,目前尚未结束。一名熟悉流程的人士表示,最终调查报告可能是,代尔夫特理工大学科研人员犯了错误,但并非故意误导。

  不管怎样,这一问题对微软的量子计算雄心带来了一定程度的挫败。顶尖的计算公司称,马约拉纳费米子技术将带来新的科学与工程突破,从而定义未来。

  量子比特是量子计算机的基本信息单元。谷歌、IBM 和英特尔都已经展示了包含约 50 个量子比特的原型量子处理器,高盛和默克等公司也在测试这项技术。但是,有用的量子计算系统可能需要数千甚至数百万的量子比特。量子计算机的很大一部分能力可能必须专门用于纠正自身的故障。

  微软则采取了一种截然不同的方法,声称基于马约拉纳粒子(Majorana particle)的量子比特具有更强的扩展性,从而实现飞跃式进步。然而,十多年过去了,一个此类量子比特也没有构建成功。

  微软与马约拉纳费米子的「历史渊源」

  马约拉纳费米子以意大利物理学家埃托雷 · 马约拉纳(Ettore Majorana)命名,他在 1937 年假设粒子应该以它们自身反粒子的奇特性质而存在。然而,直到 21 世纪,Kouwenhoven 实验室才发现了马约拉纳粒子。

  

  埃托雷 · 马约拉纳。

  2004 年,微软研究人员找到公司技术战略主管 Craig Mundie,表示他们有办法解决阻碍量子计算机发展的一个难题,即量子比特的不稳定性。自此,微软开始对马约拉纳费米子产生兴趣。

  研究人员利用理论物理论文,提出了一种构建更可靠、稳定量子比特的方法。这些所谓的拓扑量子比特基于不寻常的粒子构建,其中包括马约拉纳粒子,这些粒子可以在极低的温度下以电子簇的形式存在于材料内部。

  之后,微软组建了一支由物理学家和数学家组成的新团队,旨在充实拓扑量子计算的理论与实践。该团队与顶级实验物理学家合作,并资助他们寻找构建这种新型量子比特所需的粒子。

  Kouwenhoven 就是获得资助的物理学家之一。他 2012 年发表在 Science 上的一篇论文《Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices》提出了纳米线内马约拉纳粒子的「特性」。2016 年,微软更是加大了投资和宣传力度。

  

  论文链接:https://science.sciencemag.org/content/336/6084/1003

  Kouwenhoven 和哥本哈根大学的顶级物理学家 Charles Marcus 被聘任为马约拉纳粒子的「操盘手」(hunter)。他们计划首先检测这些粒子,然后发明更复杂的装置来控制它们,并使其发挥量子比特的作用。此前领导微软 Xbox 游戏硬件的 Todd Holmdahl 成为拓扑量子计算机项目的负责人。2018 年初,他对《巴伦周刊》表示,微软将于年底实现拓扑量子比特。一个月后,这篇如今备受争议的论文发表了。

  微软与谷歌截然不同的量子计算发展之路

  然而,当微软热衷于寻找马约拉纳粒子时,它的竞争对手们已经在现有量子比特技术的基础上稳步前进。2019 年,谷歌宣布实现量子优越性(quantum supremacy),开发了一个 54 量子比特的计算机——「Sycamore」,它可以在 200 秒内完成世界上最快超级计算机 1 万年才能完成的目标计算。

  之后不久,微软似乎想要对冲量子计算赌注,宣布通过云服务 Azure 提供其他公司的量子硬件访问权限。之后,据《华尔街日报》报道,Todd Holmdahl 在错过了内部 deadline 之后离开了拓扑量子计算机项目。

  

  谷歌 CEO 桑达尔 · 皮查伊和圣芭芭拉实验室中谷歌的量子计算机。

  自 Holmdahl 离职以来,微软一直对量子硬件的预期进展保持沉默。量子计算领域的各家竞争公司继续吹捧硬件的进步,并敦促软件开发人员通过互联网访问实验室里的原型机。但遗憾的是,似乎没有一家公司可以在黄金时间内制造出一台可用的量子计算机。

  发现马约拉纳费米子还需 30 年?

  Sergey Frolov 表示,围绕 Kouwenhoven 2018 年论文的问题导致一小领域致力于探测马约拉纳粒子的物理学家非常受伤。他认为,良好的科学依据可以产生合理的期望,而不是神奇的期望。此外,他认为,Kouwenhoven 团队应公布完整的原始实验数据,以供外界审查。

  Frolov 与澳大利亚新南威尔士大学高级研究员 Vincent Mourik 共同对 Kouwenhoven 提供的额外数据进行了研究,并且 Vincent Mourik 也表示了同样的担忧。这两人都曾是 Kouwenhoven 的同事,并参与了 2012 年关于马约拉纳粒子的研究论文。

  曾与微软研究人员合作过的马里兰大学理论物理学家 Sankar Das Sarma 认为这项技术最终会成功,但还需要一段时间。

  Das Sarma 表示,过去几年发展的新理论表明,2018 年使用的方法无论如何都不能确定马约拉纳粒子的存在,更纯的材料、更复杂的实验以及更多的科学进步都是必须的。

  微软的量子比特离这个目标还有多远目前还不清楚。Das Sarma 表示道,基于马约拉纳粒子的量子计算可能处于与 1926 年第一个晶体管申请专利相似的阶段。直到 1947 年,研究人员才制造出第一台可工作的晶体管;20 世纪 50 年代末,使计算机工业得以发展的微型硅版本才被开发出来。

  「我看不出为什么马约拉纳费米子不能存在,或者存在却无法控制。但发现它或控制它可能需要 30 年时间。」Das Sarma 表示。

  参考链接:https://www.wired.com/story/microsoft-win-quantum-computing-error/

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