微软搞拓扑量子盘算,是一场大乌龙?

本文来自微信民众号:机械之心(ID:almosthuman2014),编辑:杜伟、魔王,原文题目:《微软拓扑量子盘算梦碎?三年前Nature研究有误,未发现马约拉纳费米子》,头图来自:《蚁人》

2018 年 3 月,荷兰物理学家、微软员工 Leo Kouwenhoven 等人揭晓论文,称考察到了难以发现的粒子——马约拉纳费米子(Majorana fermion)

微软搞拓扑量子盘算,是一场大乌龙?

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 · 马约拉纳揭晓论文设想这种粒子存在,因此而命名。许多科学家以为这种粒子是解决量子比特不稳固性的优质方案之一,并有望应用于拓扑量子盘算机。

微软希望借助马约拉纳费米子构建量子盘算机,那时 IBM 和谷歌已经行使更成熟的手艺构建了不错的原型,Kouwenhoven 的这一发现使得微软有希望迎头赶上。微软量子盘算营业开发负责人 Julie Love 曾示意,微软将“在五年内”构建商业化量子盘算机。

然而三年已往,微软 2018 年的发现却被证实失败了。一月末,Kouwenhoven 和 21 位配互助者揭晓了一篇新论文,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。作者在附注中示意,此前揭晓在 Nature 上的文章将以“手艺错误”为由撤回。

该领域两位物理学家示意,他们对该研究提出质疑后,Kouwenhoven 组提供的分外数据注释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 示意,“我不知道他们在想什么,但他们跳过了一些与该论文看法相矛盾的数据。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注释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伟大声誉。该研究项目受到微软公司的部门资助,2016 年微软约请 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 示意,他在未公开数据中看到了许多问题,包罗偏离主线但被论文忽略的数据点。若是纳入这些数据点,则结论完全差别——马约拉纳费米子并未泛起。Frolov 的这一考察在 Kouwenhoven 上个月宣布的新论文中有所提及,但并未注释之前删除这些数据点的缘故原由。他们认可,试图通过实验验证特定的理论展望“有可能带来确认偏误,获得假阳性的证据”。

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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,由于重新注释其研究发现的新论文尚在偕行评审阶段。他示意:“我们信赖,规模化量子盘算将有助于解决人类面临的一些伟大挑战,我们仍将继续投入量子盘算领域。”

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 谈话人称“正与作者一道解决问题”。代尔夫特理工大学谈话人示意,2020 年 5 月起该校科研诚信委员会已睁开观察,现在尚未竣事。一名熟悉流程的人士示意,最终观察报告可能是,代尔夫特理工大学科研人员犯了错误,但并非有意误导。

不管怎样,这一问题对微软的量子盘算雄心带来了一定水平的挫败。顶尖的盘算公司称,马约拉纳费米子手艺将带来新的科学与工程突破,从而界说未来。

量子比特是量子盘算机的基本信息单元。谷歌、IBM 和英特尔都已经展示了包罗约 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手艺。然则,有用的量子盘算系统可能需要数千甚至数百万的量子比特。量子盘算机的很大一部门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差别的方式,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,从而实现飞跃式提高。然而,十多年已往了,一个此类量子比特也没有构建乐成。

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异性子而存在。然而,直到 21 世纪,Kouwenhoven 实验室才发现了马约拉纳粒子。

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埃托雷 · 马约拉纳

2004 年,微软研究人员找到公司手艺战略主管 Craig Mundie,示意他们有设施解决阻碍量子盘算机生长的一个难题,即量子比特的不稳固性。自此,微软最先对马约拉纳费米子发生兴趣。

研究人员行使理论物理论文,提出了一种构建更可靠、稳固量子比特的方式。这些所谓的拓扑量子比特基于不寻常的粒子构建,其中包罗马约拉纳粒子,这些粒子可以在极低的温度下以电子簇的形式存在于质料内部。

之后,微软组建了一支由物理学家和数学家组成的新团队,旨在充实拓扑量子盘算的理论与实践。该团队与顶级实验物理学家互助,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 年揭晓在 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“特征”。2016 年,微软更是加大了投资和宣传力度。

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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)。他们设计首先检测这些粒子,然后发现更庞大的装置来控制它们,并使其施展量子比特的作用。此前向导微软 Xbox 游戏硬件的 Todd Holmdahl 成为拓扑量子盘算机项目的负责人。2018 年头,他对《巴伦周刊》示意,微软将于年底实现拓扑量子比特。一个月后,这篇现在备受争议的论文揭晓了。

微软与谷歌截然差别的量子盘算生长之路

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手艺的基础上稳步前进。2019 年,谷歌宣布实现量子优越性(quantum supremacy),开发了一个 54 量子比特的盘算机——“Sycamore”,它可以在 200 秒内完成世界上最快超级盘算机 1 万年才气完成的目的盘算。

之后不久,微软似乎想要对冲量子盘算赌注,宣布通过云服务 Azure 提供其他公司的量子硬件接见权限。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盘算机项目。

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谷歌 CEO 桑达尔 · 皮查伊和圣芭芭拉实验室中谷歌的量子盘算机

自 Holmdahl 去职以来,微软一直对量子硬件的预期希望保持沉默。量子盘算领域的各家竞争公司继续吹嘘硬件的提高,并敦促软件开发人员通过互联网接见实验室里的原型机。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盘算机。

发现马约拉纳费米子还需 30 年?

Sergey Frolov 示意,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异常受伤。他以为,优越的科学依据可以发生合理的期望,而不是神奇的期望。此外,他以为,Kouwenhoven 团队应宣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 配合对 Kouwenhoven 提供的分外数据进行了研究,而且 Vincent Mourik 也示意了同样的担忧。这两人都曾是 Kouwenhoven 的同事,并介入了 2012 年关于马约拉纳粒子的研究论文。

曾与微软研究人员互助过的马里兰大学理论物理学家 Sankar Das Sarma 以为这项手艺最终会乐成,但还需要一段时间。

Das Sarma 示意,已往几年生长的新理论注释,2018 年使用的方式无论如何都不能确定马约拉纳粒子的存在,更纯的质料、更庞大的实验以及更多的科学提高都是必须的。

微软的量子比特离这个目的另有多远现在还不清晰。Das Sarma 示意道,基于马约拉纳粒子的量子盘算可能处于与 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事情的晶体管;20 世纪 50 年月末,使盘算机工业得以生长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 示意。

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

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