微软宣称的量子突破遭遇学界挑战 - 他们错了吗？

2022年3月，微软宣布了关于一种独特粒子表现的研究结果，这种粒子有可能用于制造非常耐用的量子比特。 然而，巴塞尔大学的研究人员目前正在质疑这些关于所谓马约拉纳粒子的结论。 他们进行的计算表明，结果可以有不同的解释。

1938 年，一位聪明才智神秘地消失了：年轻的意大利物理学家埃托雷·马约拉纳 (Ettore Majorana) 在获得一张从巴勒莫 (Palermo) 到那不勒斯 (Naples) 的渡轮船票后似乎从地球上消失了。 就在几个月前，他提出了一种奇特的粒子。 这些粒子应该是它们自己的反粒子并且不带电荷。

在过去的几年里，物理学家们对这些神秘的粒子重新产生了兴趣，这些粒子以他们失踪的发明者的名字命名（其失踪至今仍未得到解释）。 事实证明，这些粒子可能被用作量子计算机中特别强大的量子比特。

非常细的纳米线中的无序可能带来测量结果可能被误解为马约拉纳粒子的证据。 图片来源：巴塞尔大学物理系

构建此类计算机的最大障碍是退相干，换句话说，来自环境的干扰可以非常迅速地破坏量子计算机执行计算所使用的敏感量子态。 然而，如果人们可以使用马约拉纳粒子作为量子比特，那么这个问题就可以立即得到解决，因为它们由于其特殊性质而具有对退相干的内在免疫能力。

期望值降低

在科学杂志《物理评论快报》上发表的一项研究中，巴塞尔大学的研究人员现在已经降低了在不久的将来使用马约拉纳粒子进行计算的期望。 Jelena Klinovaja 教授领导的团队表明，微软在 2022 年公布的结果，根据该公司实验室检测到的马约拉纳粒子，这种理论可能根本站不住脚。

“微软在他们的实验中所走的道路肯定是正确的，”理查德大卫赫斯博士说。 该研究的学生和第一作者，“但我们的计算表明，测量数据也可以用与马约拉纳粒子无关的其他效应来解释。”

寻找奇异粒子是最高级别的侦探工作，调查人员只能依靠一些线索。 他们使用由半导体材料制成的纳米线寻找这些线索，这种纳米线比人的头发细一千倍，并与超导体耦合。 人们怀疑，在这样的系统中，半导体中的电子和空穴可以配对形成行为类似于马约拉纳粒子的准粒子。

特征异常

通过电导测量，微软的专家检测到了这种马约拉纳态的特征异常，还表明超导体-纳米线组合的超导特性以某种方式对施加的磁场做出响应，表明存在如此- 称为拓扑相。

在数学中，拓扑可以通过观察来说明，例如，看一个带有把手（一个“洞”）的咖啡杯，理论上可以变形为一个甜甜圈（它也有一个“洞”，所以两者在拓扑上是相等的）但是 不是球体（没有“洞”）。 相比之下，在马约拉纳州，拓扑结构是其令人垂涎的退相干免疫的原因。

Klinovaja 小组的博士后 Henry Legg 解释说：“我们现在已经对微软的实验进行了数学建模，并试图找出这些测量结果是否可以有其他——用科学术语来说是‘微不足道’的解释。” 事实上，巴塞尔研究人员得出的结论是，电流异常和超导特性都可以通过纳米线内部杂质的少量无序来再现。

“我们的结果清楚地表明，无序在此类实验中起着重要作用，”Jelena Klinovaja 说。 为了明确地检测马约拉纳态并将它们用于量子计算机，最终需要更纯净的纳米线。 这也意味着未来几年不乏实验挑战。