突破量子计算最大障碍

量子计算长期以来一直受到一个根本问题的困扰:量子比特是量子信息的基本单位,但极其脆弱。环境噪声——杂散电磁场、热波动,甚至宇宙射线——都能摧毁编码信息的微妙量子态,造成误差累积,使计算变得无用。数十年来,物理学家一直在追求一个激进的解决方案:拓扑量子比特,以一种天然防护噪声的方式存储信息。现在,由马德里材料科学研究所的Ramón Aguado领导的团队取得了突破,成功读取Majorana量子比特的量子态,这是首次实现。

这项研究发表在2026年2月的《自然》杂志上,是马德里材料科学研究所(西班牙国家研究委员会下属机构)与荷兰代尔夫特理工大学之间的合作。该团队不仅设计了能够承载Majorana模式的物理装置,还开发了一种新颖的测量技术,可以提取存储在其中的量子信息——这种能力直到现在才实现。

Majorana量子比特的特殊之处

Majorana粒子以意大利物理学家Ettore Majorana的名字命名,他在1937年预测了它们的存在。与普通粒子不同,Majorana粒子是它们自己的反粒子——这个性质赋予了它们不寻常的量子力学特征。当在固态系统中产生Majorana模式时,它们在特别设计的纳米结构的两端成对出现,量子信息同时分布在两个粒子上。

这种分布式编码是拓扑保护的源头。因为信息不是存储在任何单一位置,而是分散在配对的Majorana模式中,本地扰动——那种摧毁常规量子比特的噪声——无法轻易破坏它。要摧毁量子信息,噪声需要同时影响两个Majorana粒子,这远不如干扰单个量子比特可能。这种天然韧性是使拓扑量子比特对构建实际量子计算机如此有吸引力的原因。

然而,使Majorana量子比特稳健的同一特性也使它们极其难以读取。量子信息按设计隐藏在本地测量之外。开发一种访问此信息而不摧毁它的方法一直是拓扑量子计算的中心挑战。

从零开始构建Kitaev链

为了应对这个挑战,研究团队构建了他们所称的Kitaev最小链——一种受到物理学家Alexei Kitaev于2001年提出的理论模型启发的模块化纳米结构。该装置由两个半导体量子点组成,通过超导体连接,排列方式可以以受控且可重复的方式产生Majorana模式。

研究人员将该架构描述为类似乐高积木——可以组装和配置以产生所需量子态的模块化组件。半导体量子点充当人工原子,将电子限制在离散能级,而超导体介导它们之间的相互作用,这产生了Majorana物理。这种自下而上的方法允许团队精确设计系统,调整参数以将装置带入出现Majorana模式的拓扑区。

构建此装置需要在纳米加工、材料科学和低温工程方面取得进展。实验在接近绝对零度的温度下进行——仅在零下273摄氏度以上几毫开——量子效应占主导,热噪声最小化。拥有半导体-超导体混合装置丰富经验的代尔夫特理工大学团队提供了实验平台,而马德里团队贡献了指导装置设计和数据解释的理论框架。

量子电容突破

关键创新是开发了基于量子电容的读出技术。与探测单个量子点本地性质的常规测量方法不同,量子电容充当研究人员所说的对系统总体态敏感的全局探针。这很重要,因为Majorana量子比特中的信息本质上是非本地的——它存在于配对Majorana模式之间的关系中,而不是存在于任一模式中。

量子电容测量通过检测Majorana对的组合量子态是具有偶奇偶性还是奇奇偶性来工作——这个性质揭示了量子比特是处于零态还是一态,而不会破坏启用计算的微妙量子叠加。奇偶性测量是读取拓扑量子比特所需的基础操作,在实验上演示它是一个重要里程碑。

该团队报告说奇偶性相干性——量子信息保持完整和可读的持续时间——超过了一毫秒。虽然这听起来很短,但对量子操作来说是一个有希望的时间尺度。现代量子处理器在纳秒内执行门操作,这意味着一毫秒的相干时间可能允许数百万次操作后才会出现量子态退化。

确认拓扑保护

除了读出成就外,实验还提供了直接证据表明拓扑保护机制按理论工作。研究人员证明了Majorana量子比特的量子态对本地扰动的稳健性远大于常规量子比特态。这种确认很重要,因为虽然拓扑保护的理论论证是成熟的,但在真实装置中的实验验证一直具有挑战性,有时也有争议。

Majorana研究领域在2021年经历了一次重大挫折,当时一篇关于Majorana粒子证据的高调论文因数据分析问题被撤回。从那时起,该领域采取了更严格的实验主张标准。当前研究发表在《自然》上,加上其全面的理论分析和独立的实验验证,反映了这个更高的标准,并增强了人们对结果的信心。

通向拓扑量子计算机之路

虽然这一突破演示了创建和读取Majorana量子比特的能力,但构建实际的拓扑量子计算机需要若干额外的能力。研究人员必须演示操纵Majorana量子比特的能力——执行构成计算的量子门操作——并将系统从单一量子比特扩展到有用计算所需的数千或数百万个。

模块化Kitaev链架构为扩展提供了自然的路径,因为可以添加额外的量子点和超导体来创建更长的链和更复杂的量子比特配置。在拓扑量子计算上投入了大量资金的Microsoft在2025年宣布它在基于Majorana的装置中取得了关键里程碑,本新研究中描述的方法与那些努力兼容。

对于更广泛的量子计算行业,Majorana量子比特读出代表了拓扑量子计算不仅仅是理论上的好奇事物,而是建造容错量子处理器的实验上可行方法的概念证明。从这第一次成功读出到工作的拓扑量子计算机的旅程将很长,但通过这一结果,该领域跨越了一个关键阈值——从有希望的理论到演示的实践。

本文基于Science Daily的报道。阅读原文。