微軟量子團隊報以厚望的「馬約拉納費米子」研究竟然是錯誤的！這篇 2018 年發(fā)表在 Nature 上的文章遭到了質(zhì)疑。

2018 年 3 月，荷蘭物理學(xué)家、微軟員工 Leo Kouwenhoven 等人發(fā)表論文，稱觀察到了難以發(fā)現(xiàn)的粒子——馬約拉納費米子（Majorana fermion）。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/nature26142

馬約拉納費米子是一種費米子，它的反粒子就是它本身。1937 年，意大利物理學(xué)家埃托雷 · 馬約拉納發(fā)表論文假想這種粒子存在，因此而命名。許多科學(xué)家認為這種粒子是解決量子比特不穩(wěn)定性的優(yōu)質(zhì)方案之一，并有望應(yīng)用于拓撲量子計算機。

微軟希望借助馬約拉納費米子構(gòu)建量子計算機，當(dāng)時 IBM 和谷歌已經(jīng)利用更成熟的技術(shù)構(gòu)建了不錯的原型，Kouwenhoven 的這一發(fā)現(xiàn)使得微軟有希望迎頭趕上。微軟量子計算業(yè)務(wù)開發(fā)負責(zé)人 Julie Love 曾表示，微軟將「在五年內(nèi)」構(gòu)建商業(yè)化量子計算機。

然而三年過去，微軟 2018 年的發(fā)現(xiàn)卻被證明失敗了。一月末，Kouwenhoven 和 21 位共同作者發(fā)表了一篇新論文，該論文納入了更多實驗數(shù)據(jù)。結(jié)論是，他們最終沒有發(fā)現(xiàn)馬約拉納費米子。作者在附注中表示，此前發(fā)表在 Nature 上的文章將以「技術(shù)錯誤」為由撤回。

該領(lǐng)域兩位物理學(xué)家表示，他們對該研究提出質(zhì)疑后，Kouwenhoven 組提供的額外數(shù)據(jù)表明該團隊移除了不符合其結(jié)論的數(shù)據(jù)點。匹茲堡大學(xué)教授 Sergey Frolov 表示，「我不知道他們在想什么，但他們跳過了一些與該論文觀點相矛盾的數(shù)據(jù)。從更完整數(shù)據(jù)來看，毫無疑問他們沒有找到馬約拉納費米子?！?/p>

相比于 Kouwenhoven2012 年的研究，這篇 2018 年的論文稱發(fā)現(xiàn)了更堅實的證據(jù)表明馬約拉納費米子是存在的。這篇論文為 Kouwenhoven 及其在代爾夫特理工大學(xué)的實驗室贏得了巨大聲譽。該研究項目受到微軟公司的部分資助，2016 年微軟聘請 Kouwenhoven 研究馬約拉納費米子。

2018 年的這篇論文稱，在通過極低溫半導(dǎo)體線的電流中看到了馬約拉納費米子的存在信號——「零偏峰」（zero-bias peak）。

Frolov 表示，他在未公開數(shù)據(jù)中看到了很多問題，包括偏離主線但被論文忽略的數(shù)據(jù)點。如果納入這些數(shù)據(jù)點，則結(jié)論完全不同——馬約拉納費米子并未出現(xiàn)。Frolov 的這一觀察在 Kouwenhoven 上個月發(fā)布的新論文中有所提及，但并未解釋之前刪除這些數(shù)據(jù)點的原因。他們承認，試圖通過實驗驗證特定的理論預(yù)測「有可能帶來確認偏誤，得到假陽性的證據(jù)」。

Sergey Frolov 發(fā)推質(zhì)疑這項研究，詳情參見 https://twitter.com/spinespresso。

Kouwenhoven 在一份聲明中未作回應(yīng)，因為重新解釋其研究發(fā)現(xiàn)的新論文尚在同行評審階段。他表示：「我們相信，規(guī)?；孔佑嬎銓⒂兄诮鉀Q人類面臨的一些巨大挑戰(zhàn)，我們?nèi)詫⒗^續(xù)投入量子計算領(lǐng)域?！?/p>

去年三月，Nature 為這篇 2018 年論文添加了「編輯關(guān)切聲明」，不久前 Nature 發(fā)言人稱「正與作者一道解決問題」。代爾夫特理工大學(xué)發(fā)言人表示，2020 年 5 月起該?？蒲姓\信委員會已展開調(diào)查，目前尚未結(jié)束。一名熟悉流程的人士表示，最終調(diào)查報告可能是，代爾夫特理工大學(xué)科研人員犯了錯誤，但并非故意誤導(dǎo)。

不管怎樣，這一問題對微軟的量子計算雄心帶來了一定程度的挫敗。頂尖的計算公司稱，馬約拉納費米子技術(shù)將帶來新的科學(xué)與工程突破，從而定義未來。

量子比特是量子計算機的基本信息單元。谷歌、IBM 和英特爾都已經(jīng)展示了包含約 50 個量子比特的原型量子處理器，高盛和默克等公司也在測試這項技術(shù)。但是，有用的量子計算系統(tǒng)可能需要數(shù)千甚至數(shù)百萬的量子比特。量子計算機的很大一部分能力可能必須專門用于糾正自身的故障。

微軟則采取了一種截然不同的方法，聲稱基于馬約拉納粒子（Majorana particle）的量子比特具有更強的擴展性，從而實現(xiàn)飛躍式進步。然而，十多年過去了，一個此類量子比特也沒有構(gòu)建成功。

微軟與馬約拉納費米子的「歷史淵源」

馬約拉納費米子以意大利物理學(xué)家埃托雷 · 馬約拉納（Ettore Majorana）命名，他在 1937 年假設(shè)粒子應(yīng)該以它們自身反粒子的奇特性質(zhì)而存在。然而，直到 21 世紀，Kouwenhoven 實驗室才發(fā)現(xiàn)了馬約拉納粒子。

埃托雷 · 馬約拉納。

2004 年，微軟研究人員找到公司技術(shù)戰(zhàn)略主管 Craig Mundie，表示他們有辦法解決阻礙量子計算機發(fā)展的一個難題，即量子比特的不穩(wěn)定性。自此，微軟開始對馬約拉納費米子產(chǎn)生興趣。

研究人員利用理論物理論文，提出了一種構(gòu)建更可靠、穩(wěn)定量子比特的方法。這些所謂的拓撲量子比特基于不尋常的粒子構(gòu)建，其中包括馬約拉納粒子，這些粒子可以在極低的溫度下以電子簇的形式存在于材料內(nèi)部。

之后，微軟組建了一支由物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家組成的新團隊，旨在充實拓撲量子計算的理論與實踐。該團隊與頂級實驗物理學(xué)家合作，并資助他們尋找構(gòu)建這種新型量子比特所需的粒子。

Kouwenhoven 就是獲得資助的物理學(xué)家之一。他 2012 年發(fā)表在 Science 上的一篇論文《Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices》提出了納米線內(nèi)馬約拉納粒子的「特性」。2016 年，微軟更是加大了投資和宣傳力度。

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/336/6084/1003

Kouwenhoven 和哥本哈根大學(xué)的頂級物理學(xué)家 Charles Marcus 被聘任為馬約拉納粒子的「操盤手」（hunter）。他們計劃首先檢測這些粒子，然后發(fā)明更復(fù)雜的裝置來控制它們，并使其發(fā)揮量子比特的作用。此前領(lǐng)導(dǎo)微軟 Xbox 游戲硬件的 Todd Holmdahl 成為拓撲量子計算機項目的負責(zé)人。2018 年初，他對《巴倫周刊》表示，微軟將于年底實現(xiàn)拓撲量子比特。一個月后，這篇如今備受爭議的論文發(fā)表了。

微軟與谷歌截然不同的量子計算發(fā)展之路

然而，當(dāng)微軟熱衷于尋找馬約拉納粒子時，它的競爭對手們已經(jīng)在現(xiàn)有量子比特技術(shù)的基礎(chǔ)上穩(wěn)步前進。2019 年，谷歌宣布實現(xiàn)量子優(yōu)越性（quantum supremacy），開發(fā)了一個 54 量子比特的計算機——「Sycamore」，它可以在 200 秒內(nèi)完成世界上最快超級計算機 1 萬年才能完成的目標計算。

之后不久，微軟似乎想要對沖量子計算賭注，宣布通過云服務(wù) Azure 提供其他公司的量子硬件訪問權(quán)限。之后，據(jù)《華爾街日報》報道，Todd Holmdahl 在錯過了內(nèi)部 deadline 之后離開了拓撲量子計算機項目。

谷歌 CEO 桑達爾 · 皮查伊和圣芭芭拉實驗室中谷歌的量子計算機。

自 Holmdahl 離職以來，微軟一直對量子硬件的預(yù)期進展保持沉默。量子計算領(lǐng)域的各家競爭公司繼續(xù)吹捧硬件的進步，并敦促軟件開發(fā)人員通過互聯(lián)網(wǎng)訪問實驗室里的原型機。但遺憾的是，似乎沒有一家公司可以在黃金時間內(nèi)制造出一臺可用的量子計算機。

發(fā)現(xiàn)馬約拉納費米子還需 30 年？

Sergey Frolov 表示，圍繞 Kouwenhoven 2018 年論文的問題導(dǎo)致一小領(lǐng)域致力于探測馬約拉納粒子的物理學(xué)家非常受傷。他認為，良好的科學(xué)依據(jù)可以產(chǎn)生合理的期望，而不是神奇的期望。此外，他認為，Kouwenhoven 團隊應(yīng)公布完整的原始實驗數(shù)據(jù)，以供外界審查。

Frolov 與澳大利亞新南威爾士大學(xué)高級研究員 Vincent Mourik 共同對 Kouwenhoven 提供的額外數(shù)據(jù)進行了研究，并且 Vincent Mourik 也表示了同樣的擔(dān)憂。這兩人都曾是 Kouwenhoven 的同事，并參與了 2012 年關(guān)于馬約拉納粒子的研究論文。

曾與微軟研究人員合作過的馬里蘭大學(xué)理論物理學(xué)家 Sankar Das Sarma 認為這項技術(shù)最終會成功，但還需要一段時間。

Das Sarma 表示，過去幾年發(fā)展的新理論表明，2018 年使用的方法無論如何都不能確定馬約拉納粒子的存在，更純的材料、更復(fù)雜的實驗以及更多的科學(xué)進步都是必須的。

微軟的量子比特離這個目標還有多遠目前還不清楚。Das Sarma 表示道，基于馬約拉納粒子的量子計算可能處于與 1926 年第一個晶體管申請專利相似的階段。直到 1947 年，研究人員才制造出第一臺可工作的晶體管；20 世紀 50 年代末，使計算機工業(yè)得以發(fā)展的微型硅版本才被開發(fā)出來。

「我看不出為什么馬約拉納費米子不能存在，或者存在卻無法控制。但發(fā)現(xiàn)它或控制它可能需要 30 年時間?！笵as Sarma 表示。