Nature重磅！马约拉纳量子比特实现可读，微软拓扑路线获实证

保护量子比特免受噪声干扰是构建可靠量子计算机的关键。传统超导量子比特易受环境噪声影响，而拓扑量子比特因其非局域存储特性，被誉为量子计算的“圣杯”。

2月11日，荷兰代尔夫特理工大学、西班牙高等科学研究理事会与埃因霍芬理工大学组成的研究团队在《Nature》期刊上发表题为“Single-shot parity readout of a minimal Kitaev chain”（最小Kitaev链的单次奇偶校验读出），Nick van Loo、Francesco Zatelli、Gorm O.Steffensen、Bart Roovers为论文共同第一作者，Nick van Loo、Leo P.Kouwenhoven为论文共同通讯作者。

本研究首次利用量子电容技术实现了马约拉纳（Majorana）量子比特的单次宇称读出，测得宇称相干时间超过1毫秒。这一成果不仅解决了拓扑量子计算长达二十余年的读取难题，更为微软的孤注一掷提供了关键验证，标志着拓扑量子计算从理论探索迈入工程实现的新阶段。

研究背景

量子计算的核心挑战在于量子态的稳定性。传统超导量子比特虽已实现规模化，但极易受环境噪声干扰，需复杂的纠错算法才能维持量子信息，这成为制约通用量子计算机发展的瓶颈。而拓扑量子比特被视为解决这一问题的“圣杯”，其核心优势在于信息的非局域存储——量子信息并非局限于单个物理位置，而是分布在一对马约拉纳零能模（Majorana zero modes）组成的量子态中。

西班牙国家研究委员会研究员Ram´on Aguado形象地比喻：“拓扑量子比特就像储存量子信息的保险箱，要破坏其中的信息，必须对整个系统造成全局性影响，这使其天然具备抗局域噪声的能力。”然而，这种非局域性也构成了实验中的致命短板：传统局域电荷检测手段无法捕捉到分布式存储的量子信息，长期以来，“如何读取马约拉纳量子比特”成为困扰科研界的世纪难题。

自2001年Alexei Kitaev提出基于马约拉纳零能模的拓扑量子计算模型以来，全球研究者纷纷投身这一领域。但由于实验体系的复杂性和探测技术的局限，马约拉纳零能模的存在性和可操控性一直存在争议，拓扑量子计算始终停留在理论与初步实验阶段。

通讯作者Leo P.Kouwenhoven与微软

这项突破的背后，离不开代尔夫特理工大学教授、通讯作者Leo P.Kouwenhoven与微软的深度绑定。

2016年，微软聘请Kouwenhoven主导马约拉纳项目，将其纳入全球量子研究网络（Station Q）的核心布局。不同于谷歌、IBM押注超导量子比特的主流路线，微软是唯一一家将未来完全押注拓扑量子计算的科技巨头，其2023年发布的路线图明确提出“十年内打造量子超级计算机”，而这一愿景的前提，正是可工作的马约拉纳量子比特。

这段合作并非一帆风顺。2018年，Kouwenhoven团队发表论文声称观测到马约拉纳费米子（“天使粒子”），引发业界轰动。但2021年因数据校准问题主动撤稿，让微软的拓扑路线遭遇重创，被质疑为“过度炒作”。此次研究中，同一团队采用新一代实验技术洗刷了过往的测量错误，用扎实的数据回应了所有质疑，成为微软长期战略投资的直接回报。

Kitaev链的成功构建与读取，对微软而言不仅是技术突破，更是其整个量子战略的“存活确认”。从2016年深度绑定核心团队，再到2026年迎来关键突破，微软用时间证明了“高风险、高回报”策略的可行性，也标志着其量子研究从基础物理探索正式迈入工程实现阶段。

不过，Kouwenhoven现已离开微软，不再担任首席研究员。

Kitaev最小链与量子电容探测

要解决马约拉纳量子比特的读取难题，需从理论模型和探测技术两方面双重创新。研究团队选择Kitaev最小链作为实验平台——这是实现马约拉纳零能模的最简系统，由两个半导体量子点通过超导体耦合形成，如同搭乐高积木般通过“自下而上”的方式可控构建。

在这个极简系统中，两个量子点分别承载马约拉纳零能模，它们的联合宇称（偶数态或奇数态）构成了量子比特的信息载体。偶数态由|00⟩和|11⟩两个电荷组态杂化形成，奇数态则来自|10⟩和|01⟩的杂化，当两种杂化强度相等时，系统进入马约拉纳最佳工作点（sweet spot），形成零能激发态。

图：最小Kitaev链和奇偶校验测量装置

传统探测方法的局限在于“只见树木不见森林”，研究团队创新性地采用量子电容作为全局探针。量子电容反映的是系统能量随化学势变化的二阶响应，能够感知整个链的联合量子态。不同于局域电荷传感器只能探测单个量子点的电荷变化，量子电容通过射频信号调制，捕捉两个量子点与超导体之间的电荷流动，从而区分奇偶宇称态。偶数态会因电荷重新分布产生明显的量子电容信号，而奇数态的总电荷保持恒定，量子电容信号为零。

这一设计利用了马约拉纳量子态的非局域特性：全局探针能够感知分布式信息，而局域探测则无能为力。西班牙研究者Gorm O.Steffensen强调：“实验精妙验证了马约拉纳量子比特的保护原理，局域测量无法捕捉的信息，全局探测器能清晰呈现”。

图：Kitaev链的量子电容

1毫秒相干时间的关键突破

研究团队采用InSb纳米线作为量子点载体，通过Al薄膜诱导超导性，形成关键的超导-半导体杂交段。利用Ti/Pd底栅精确调控两个量子点的化学势，同时设置第三个量子点作为局域电荷传感器，与量子电容探测形成互补验证。整个装置在150毫特斯拉的平行磁场下工作，确保量子点的自旋极化，排除自旋自由度的干扰。

实验过程中，研究团队首先通过输运测量定位马约拉纳最佳工作点，随后利用电压门耗尽纳米线，将Kitaev链与外部引线隔离，避免准粒子污染破坏量子态。通过射频谐振器检测量子电容信号，记录到明显的离散切换事件，这正是奇偶宇称态之间的跃迁。

数据分析显示，该系统的平均宇称切换时间达到1.85毫秒，单次读出误差仅为6%，单次读取时间达40微秒，最优积分时间150微秒时信噪比接近2。在量子世界中，毫秒级的相干时间堪称“长寿”，这一数据证明了马约拉纳量子比特的高稳定性。

图：基于量子电容的时域分辨宇称开关

对比实验更验证了量子电容的独特优势：在马约拉纳最佳工作点附近，局域电荷传感器信号无明显变化，而量子电容信号能清晰分辨奇偶态，Pearson相关系数接近零，完美印证了非局域信息的读取机制。

图：宇称开关的局域与全局探测

研究团队还观测到“随机宇称跃变”现象，这一现象源于准粒子中毒过程，即准粒子进入系统导致宇称守恒被破坏。通过分析跃变规律，进一步确认了马约拉纳零能模的存在及其动力学特性。

研究成果

这项研究的科学价值与技术意义深远，堪称拓扑量子计算领域的里程碑式突破。

从科学层面看，它首次实现了马约拉纳量子比特的高保真度单次读出，直接验证了Kitaev链模型的正确性，为马约拉纳零能模的存在提供了无可辩驳的实验证据。量子电容作为全新的全局探测技术，为复杂量子系统的研究提供了新范式，其普适性可拓展到更多拓扑量子体系。

技术层面，1毫秒的宇称相干时间为量子操作预留了充足窗口，6%的读出误差已满足初步量子计算的需求。更重要的是，该方法无需复杂改造器件结构，可无缝集成到现有量子芯片架构中，为后续规模化扩展奠定了基础。

研究团队指出，通过基频脉冲调控，可将更长的Kitaev链有效简化为最小配置进行读出，不破坏编码态，这为多量子比特拓扑处理器的构建提供了可行方案。

对微软而言，这项成果是其拓扑路线的“存活确认”，验证了长期战略押注的正确性。按照其路线图，下一步将实现马约拉纳量子比特的门操作与多比特耦合，逐步构建量子处理器。此次突破标志着拓扑量子计算从科学探索阶段正式跨入工程实现阶段，量子计算领域将形成超导与拓扑两大路线并驾齐驱的格局。

尽管突破显著，但通往通用拓扑量子计算机仍有挑战。未来需要进一步提升宇称相干时间、降低读出误差，实现多比特的高精度操控与耦合。

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-025-09927-7

[2]https://www.mpi-halle.mpg.de/832931/leo-kouwenhoven