微软马约拉纳量子芯片及中外在拓扑量子计算新进展_风闻

2025 年 2 月，微软团队在Nature发表论文，介绍了他们在拓扑量子计算方面的新进展，虽有部分审稿人反对，但该研究展示的新技术仍具有突破性意义。目前拓扑量子计算面临诸多挑战，但在国际上，特别是中国多个团队均有重要进展。本文将简要介绍这些成果，展望拓扑量子计算的未来走向。

撰文 | 刘东、刘鑫、何珂、张富春

最近，微软研究团队在Nature上发表了一项研究“Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices”[Nature 638, 651 (2025)]。这一消息在新闻媒体中得到了广泛报道，同时也带来了一些争论。我们也注意到Nature公开的信息显示部分审稿人反对该论文的发表。实际上，该论文涉及在InAs–Al混合纳米线器件中进行的干涉单次奇偶费米数测量实验，展示了一种新的实验技术，用于测量通过马约拉纳零模编码的费米子奇偶性，为拓扑量子计算技术基础的构建迈出了关键一步。尽管这一实验尚未能直接验证纳米线中马约拉纳零模的拓扑特性，但它为基于拓扑保护的量子比特信息读取技术奠定了重要基础，有望在未来对容错量子计算发挥关键作用。此外，对于微软在官网发布的Majorana 1的拓扑量子比特芯片新闻稿，由于其未提供实验数据，无法做出科学评判，并不在本文讨论之列。

拓扑量子计算的挑战

拓扑量子计算作为量子计算领域的前沿方向，对于实现容错量子计算在理论上具有巨大潜力，但在实际实现上面临诸多技术挑战。与传统的超导量子计算、中性原子量子计算、光子量子计算和离子阱量子计算不同，拓扑量子计算的核心在于利用马约拉纳零模进行量子信息的存储和处理。马约拉纳零模是一种具有非阿贝尔交换统计性质的零能量准粒子，其独特的物理特性使其具有天然的拓扑保护性和容错性，为构建稳健的量子比特提供了理论基础。

微软量子团队一直致力基于InAs–Al混合纳米线体系进行拓扑量子计算研究。然而，基于该体系的马约拉纳零模实验验证仍存在重大挑战，纳米线的电子迁移率不够高，观测到的零模有其他非拓扑机制的可能性。

在这一背景下，微软团队提出了一种基于干涉的单次费米子奇偶测量方法，这是一个很有意义的技术进展，为拓扑量子比特的设计和量子信息读取提供了一个新的实验框架。需要注意的是，尽管这一方法展示了拓扑量子比特读取方案的可行性，但由于未能直接验证马约拉纳零模的存在，它在证明马约拉纳零模的拓扑特性方面存在一定的局限性。

微软团队的实验设计与技术突破

微软Nature论文的核心实验是，采用三量子点干涉仪架构和射频反射测量技术，通过量子电容测量实现单次费米子奇偶性测量。这一测量方法可以实时捕捉量子点的奇偶性切换，通过对量子电容变化的干涉测量，实验团队能够实现对费米子奇偶性的精确读取。通过这些测量，研究人员成功地测得了周期为h/2e的费米子奇偶性切换信号，并观察到毫秒级的翻转时间，这是该领域中的一项重要进展。翻转时间尺度与拓扑量子比特的准粒子中毒事件密切相关，因此可以用来描述拓扑量子比特的相干性衰减。当然，量子比特的寿命还可能受到马约拉纳零模之间的耦合和环境噪声等其他因素的影响。

与过去的实验相比，微软团队的贡献在于突破了传统的时间平均测量方法，成功实现了单次测量。在单次测量中，实验仅通过一次测量就能获得所需的结果，而无需依赖时间平均，因此能够大幅度提高测量速度和精度。这项技术突破使得高精度射频测量能够探测到非常微小的费米子奇偶性变化，从而为拓扑量子比特的读取测量提供了更清晰的方向，未来拓扑量子计算系统能够利用这一技术提高测量精度和读取速度。

尽管该实验取得了显著的技术进展，但结果并未直接证明马约拉纳零模在纳米线器件中的存在。正如一位审稿人所指出，尽管实验与马约拉纳模型高度一致，但仍无法排除非拓扑Andreev束缚态的可能性，因此学术界对实验结果的解读仍存在争议。

此外，根据微软的设计方案，拓扑量子比特的尺寸较小，仅约5微米×3微米，因此在一块1英寸大小的芯片上可容纳百万级的物理量子比特，从而降低对芯片间远程互联的需求。这样一来，未来的拓扑量子计算架构可以更专注于芯片内部的比特集成与操控，避免当前大规模超导量子计算所面临的芯片间互联挑战。

微软团队成果的启示

微软团队在拓扑量子计算领域取得的重要进展，主要体现在单次奇偶性测量技术的实验实现和新型器件设计优化。该进展虽然尚未确证马约拉纳零模的存在，但成功展示了拓扑量子系统可控性的显著提升，不仅为量子计算提供了新的实验工具，也为未来的融合实验铺平了道路。如果能够实现马约拉纳零模的直接观测，并通过实验验证其拓扑特性，那么微软团队的这一进展将加速拓扑量子比特的实现，为量子计算提供一个新的可能性。因此，未来拓扑量子计算的研究应集中在器件优化、零能态稳定性和更精确的实验测量上。

微软之外的其他研究团队进展

荷兰代尔夫特理工大学的Kouwenhoven教授是利用纳米线系统构建马约拉纳零能模的研究先驱。近年来，他的团队探索了一种新方法，利用InSb半导体纳米线中的量子点链构建人工Kitaev链 [Nature 614, 445 (2023)]，并成功观测到了“穷人版（poor man’s）”马约拉纳态。（在物理学文献中，“穷人版”这一表述是一种自嘲式的学术命名，特指在资源有限或技术不完善条件下，通过简化/替代方案，在牺牲某些理想性质的前提下实现核心物理效应的研究方法。）这一研究为拓扑量子计算的可扩展性奠定了重要基础，并提供了一个新的实验平台，以进一步探索非阿贝尔任意子及其相关物理。相比于传统的纳米线方案，Kitaev链方案降低了马约拉纳零能模的观测难度，并拓宽了参数空间的探索范围，有助于更深入地研究其现象学特征。然而，可调控参数的增加也带来了一些实验上的新挑战，例如系统的可扩展性问题。该方案在器件中实现稳定的多个马约拉纳态或构建拓扑量子比特面临更严峻的技术挑战。

中国在基于纳米线的拓扑量子计算方面的进展

尽管中国在纳米线拓扑量子计算领域起步较晚，但近期在合肥国家实验室和北京市科委的大力支持下，清华大学、中国科学院半导体研究所、北京量子信息科学研究院、中国科学院物理研究所的研究团队在该领域，特别是在最关键的纳米线材料和器件优化上，已取得了一些重要成果。

在InAs-Al纳米线拓扑量子计算的研究方面，中国科学院半导体研究所潘东和赵建华团队自2011年起致力于高质量半导体-超导纳米线的可控制备研究。该团队首创在Si衬底上外延出高质量纯相超细单晶InAs纳米线，随后发展了低温原位外延技术，在InAs纳米线侧壁成功外延超导金属Al，且InAs与Al均具备高晶体质量，界面平整度达原子级。与清华大学合作，团队首次探索了马约拉纳纳米线研究中的一个新实验维度——更细的纳米线直径，这为实现单一子能带占据（从准一维到一维）奠定了基础。此外该团队在提高InAs-Al纳米线材料和器件质量后，成功观测到量子化零偏压电导峰，并在电导平台附近（5%精度范围内）观察到量子化现象，是近期纳米线量子器件中的重要进展之一。

近年来，清华大学何珂团队及其合作者研究了一个新的马约拉纳纳米线候选体系——IV-VI族半导体PbTe-超导杂化纳米线，受到了广泛关注，并取得了快速的研究进展。PbTe在低温下具有较大的介电常数，能够有效屏蔽缺陷电荷的影响，同时，它与高质量商业化衬底CdTe具有良好的晶格匹配。这些优势使得PbTe有潜力突破纳米线样品质量提升的瓶颈，成为研究马约拉纳零能模和拓扑量子计算的理想平台。该团队已经发展出了平面PbTe纳米线和PbTe-超导纳米线的规模化制备技术，所制备的PbTe纳米线在超过1.7微米的长度范围内表现出电子弹道输运，表明样品质量极为优异。最近，他们在平面PbTe-超导器件中成功观测到了稳定存在且电导接近量子化的零能电导峰，表明该材料体系已经满足进行马约拉纳零能模三端实验以及构建拓扑量子比特器件的条件。未来几年，该体系有望为观察马约拉纳零能模的确定性实验证据并实现拓扑量子比特提供有力支持。中国科学院物理研究所吕力和沈洁团队及其合作者发展了超导/III-V族半导体的界面优化工艺，在铅-锑化铟纳米线等器件中观测到较强的超导近邻效应。

中国在基于马约拉纳涡旋态拓扑量子计算方面的研究进展

在国际上，中国团队最早开展研究马约拉纳涡旋态研究，并在该领域保持世界领先地位。上海交通大学李政道研究所贾金锋团队和丁洪团队、中国科学院物理研究所高鸿钧团队、中国科技大学封东来与复旦大学张童联合团队等分别最早在超导/拓扑绝缘体异质结和铁基高温超导中观测到马约拉纳涡旋态信号。

近年来，该方面研究得到合肥国家实验室，中国科学院和上海市科委的大力支持，加速了马约拉纳涡旋态相关研究的关键性进展。近期，丁洪团队和高鸿钧团队基于FeSeTe和LiFeAs等铁基超导材料发展了应力调控马约拉纳涡旋态技术，制备了高质量铁基超导量子器件（例如铁基超导约瑟夫森结），并规划了基于铁基超导纳米线的拓扑量子计算路线。这些研究将基于铁基超导拓扑量子计算研究推进到关键的量子器件层面，为在未来几年验证马约拉纳涡旋态的非阿贝尔统计属性和实现拓扑量子比特提供了坚实的技术基础和路线指引。

结束语

总的说来，微软团队的这一成果代表了拓扑量子计算领域的一次重要技术突破。尽管当前的实验结果还无法完全确认马约拉纳零模的存在，但新的实验结果为拓扑量子计算的发展提供了新的视角和实验基础。拓扑量子计算的核心优势在于天然的拓扑保护机制带来的内禀量子信息错误纠正，这使其在容错量子计算方向具有独特潜力。未来，随着材料和器件优化和实验方法的不断进步，拓扑量子计算有望成为量子计算的一个重要方向，并在容错量子计算领域发挥作用。拓扑量子计算仍处于发展的初期阶段，但这一进展无疑为未来的量子计算架构提供了极具前景的技术基础。

2025年2月23日

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