量子計算有望幫助我們解決人類所面臨的一些最嚴峻的挑戰。然而，在這個新生領域，我們仍處于發展的早期階段。目前，在量子計算機的幫助下，研究人員已經能夠開展一些有趣的研究項目，但他們仍然受制于系統規模的不足，無法開展更多研究。現有的量子計算機所依賴的量子比特有很多類型，但迄今為止還沒有哪一類能夠擴展到足夠多的量子比特，以充分發揮量子計算的潛力。

微軟正在采用一種更具挑戰性但最終更有前景的方法來擴展量子計算的規模——拓撲量子比特。在理論上，它比現有方法產生的量子比特更加穩定，而且不會犧牲大小或速度。我們已經可以生成拓撲超導相及其伴隨的馬約拉納零模態（Majorana zero modes），為構建可擴展的量子計算機掃清了一個重大障礙。

本文是對我們的研究工作和方法的闡述，其表明了拓撲量子比特背后的基礎物理機理是成立的——這項研究首次觀測到了 30μeV 拓撲間隙，為拓撲量子計算的潛在未來奠定了基礎。盡管在工程上依然存在挑戰，但這一發現為我們實現規模化量子計算機的方法提供了基石，使微軟向著在 Azure 上創建量子機器的目標邁出了關鍵一步。點擊閱讀原文訪問 Azure Quantum，開始使用量子計算。

微軟量子團隊觀察到在砷化銦鋁異質結構中存在的30μeV拓撲間隙

拓撲量子計算是實現硬件級容錯的途徑之一，有望實現具有高保真量子比特、快速門操作和單模塊架構的量子計算系統。拓撲量子比特的保真度、速度和大小由一種被稱為拓撲間隙（topological gap）的特征能量來控制。只有當人們能夠可靠地產生物質的拓撲相，并通過實驗驗證一個拓撲相內確實存在量子比特的子組件（并準備好進行量子信息處理）時，這條路徑才能行得通。這實現起來并不容易，因為拓撲相的特征在于其基態的長距離糾纏，而傳統實驗無法輕易探測。

我們團隊在一年前提出了 “拓撲間隙協議” TGP（topological gap protocol），并將其作為量子傳輸測量中拓撲相位的識別標準，解決了這一難題。拓撲超導線的末端具有馬約拉納零模態，導線的兩端都有一個實費米子算符，類似于 Ettore Majorana 在1937年構建的實費米子波動方程。

因此，存在兩個相反的費米子宇稱量子態，只能通過耦合到兩端的相位相干性探針來測量。在電測量中，馬約拉納零模態（參見圖1）會導致局部電導出現零偏壓峰（ZBPs： zero-bias peaks）。然而，局部 Andreev 束縛態（Andreev bound states）和無序性也可能出現零偏壓峰。因此，TGP 僅專注于高度穩定的 ZBPs。最重要的是，它使用非局部電導來檢測體相變（bulk phase transition）。這種相變必須存在于普通的超導相和拓撲相的邊界上，因為它們是物質的兩個不同相，就像水和冰。

我們使用包含材料堆疊、幾何形狀和缺陷等細節的模型對我們的設備進行模擬。仿真實驗表明，TGP 是一個檢測設備拓撲相位的嚴格標準。更為重要的是，傳遞協議的條件是在測量任何設備之前就已經設定好的，即在非局部電導建立具有無間隙邊界的間隙區域上，設備兩端都存在穩定的 ZBPs。考慮到拓撲相識別所涉及的微妙差異（這源于缺失局部有序參數），TGP 的設計原則之一就是避免確認偏差（confirmation bias）。特別是，在整個操作范圍內掃描設備，而不僅是“搜索”某個人們希望出現的特征，例如單個 ZBP。

位于美國加利福尼亞州圣巴巴拉的微軟 Station Q 是微軟量子項目的發源地。在過去16年間，它一直是一個拓撲相和量子計算半年度會議的東道主。由于新冠大流行而被迫中斷了兩年之后，Station Q 線下會議于3月初恢復舉辦。在這場工業界和學術界的量子計算領導者出席的會議上，微軟宣布，已開發了多個能夠通過 TGP 的設備。

我們的團隊測量到了超過 30μeV 的拓撲間隙。這是實驗中噪音水平的三倍多，并且溫度上也高出了類似的量級。這是一個里程碑式的科學進步，也是拓撲量子計算之旅中的關鍵一步。拓撲量子計算依賴于任意子（拓撲準粒子上的兩個原始操作）的融合和編織。拓撲間隙決定了物質底層狀態，為這些操作提供容錯性。能夠實現這些操作的更為復雜的設備需要多個拓撲線段，并依賴 TGP 作為其初始化過程的一部分。我們的成功取決于模擬、增長、制造、測量和數據分析等各個團隊之間的密切合作。每個設備設計都經過了模擬，以便在設備制造之前對其超過23個不同的參數進行優化。這使我們能夠在設計階段就確定設備的調試程序。

我們的結果得到了詳盡的測量和嚴格的數據驗證程序的支持。我們從局部和非局部電導的組合中獲得了多個設備的大規模相位圖。我們用迷惑 TGP 的模擬數據對分析程序進行了驗證，這使我們能夠以較高的置信度排除各種虛假設（null hypotheses）。此外，數據分析由與數據獲取團隊不同的團隊主導，這是我們在團隊內部不同組別之間進行校驗和制衡的一部分。此外，獨立顧問專家委員會正在審核我們的結果，截至目前，我們得到了非常積極的反饋。

隨著基礎物理學機理的論證，下一步就是建立拓撲量子比特。我們設想，與其他量子比特相比，拓撲量子比特將兼具速度、大小和穩定性。我們相信，未來它終將能夠為完全規模化的量子計算機提供動力，這也將幫我們實現量子計算的全部潛力，以解決當今社會面臨的最復雜和最緊迫的挑戰。