量子科技新突破：微軟與普渡大學攜手開創拓撲量子位元新紀元

微軟量子團隊與普渡大學的研究人員在量子計算領域取得了重大突破，並於《自然》期刊發表了一篇論文，詳細闡述了他們如何成功測量拓撲量子位元的關鍵特性。這項研究將半導體-超導體混合技術推向新高度，並進一步鞏固了普渡大學在量子研究領域的領先地位。

微軟量子團隊近期在《自然》期刊上發表了一篇文章，重點介紹了在量子裝置測量方面的關鍵進展，這是建構拓撲量子電腦的重要一步。這項研究由微軟的科學家和工程師共同完成，其中包括位於普渡大學的微軟量子實驗室西拉法葉團隊。在他們的公告中，團隊描述了一種關鍵裝置的運作，該裝置是拓撲量子計算的基礎構件。這項發現標誌著量子電腦發展的一個重要里程碑，未來量子電腦的運算能力與穩定性將遠超現有技術。

微軟量子實驗室西拉法葉的科學總監、普渡大學物理與天文學教授Michael Manfra表示：「我們希望量子計算能夠協助化學家、材料科學家和工程師設計並製造對日常生活至關重要的新材料。量子計算的潛力在於加速科學發現並將其轉化為實用技術。例如，如果量子電腦能夠縮短生產新救命藥物的時間與成本，這將對社會產生實質影響。」

微軟量子實驗室西拉法葉團隊在測試中使用了複雜的多層材料，這些材料構成了量子裝置架構的量子平面。與Manfra合作的微軟科學家們精通先進的半導體生長技術，包括分子束外延技術，這些技術用於建構低維電子系統，這些系統是量子位元（qubits）的基礎。他們以原子層級的精度建構了半導體和超導體層，並根據裝置架構的需求調整了材料的特性。

Manfra是普渡量子科學與工程研究所的成員，他將西拉法葉實驗室的進展歸功於普渡大學與微軟之間長達十年的緊密合作。2017年，普渡大學與微軟簽署了一項多年協議，進一步深化了雙方的合作關係，其中包括將微軟員工嵌入Manfra的研究團隊。

Manfra表示：「這是一個非常專業團隊的協作成果，普渡大學的微軟科學家們做出了重要貢獻。這是微軟團隊的成就，也是普渡與微軟長期合作的結晶。如果沒有普渡大學提供這樣的工作環境，這一切都不可能實現——我嘗試將工業與學術研究結合，使雙方都能受益。我認為這是一個成功的故事。」

普渡大學的量子科學與工程是「普渡計算」計劃的核心支柱，該計劃專注於推進計算、物理人工智慧、半導體和量子技術的研究。普渡大學校長Mung Chiang表示：「這項在準粒子狀態測量方面的研究突破是拓撲量子計算發展的一個里程碑，並在半導體-超導體混合結構中創造了一個分水嶺時刻。Manfra教授及其團隊與微軟量子實驗室西拉法葉的深度合作，是當今美國大學中最具影響力的產業研究合作典範。」

大多數量子電腦使用區域性特性（如電子自旋）來編碼資訊並建立量子位元。然而，這些量子位元對外部因素（如熱量、振動和其他量子粒子的相互作用）非常敏感，容易產生錯誤，需要複雜的校正技術。

拓撲量子電腦則採用不同的方法，將資訊分佈在多個粒子中，這些粒子共同工作。這使得量子位元狀態更加穩定，因為改變它需要改變所有相關粒子的狀態。因此，拓撲量子位元更能抵抗幹擾，為量子計算提供了更穩健的基礎。

在《自然》論文中，微軟團隊能夠準確且快速地測量構成量子位元基礎的準粒子狀態。Manfra表示：「該裝置用於快速測量拓撲量子位元的基本特性。團隊對這些積極成果感到興奮，並期待在此基礎上繼續推進。」

微軟量子實驗室科學家Sergei Gronin表示：「西拉法葉團隊將現有的外延技術推向了半導體-超導體混合結構的新高度，確保了微軟混合系統中每個構件之間的完美介面。量子計算晶片所需的材料品質需要不斷改進，這是最大的挑戰之一。我們首先必須調整並改進半導體技術，以達到前所未有的新水平。但同樣重要的是如何建立這種混合系統。為此，我們必須將半導體部分與超導體部分融合，這意味著需要完美地處理半導體、超導體以及它們之間的介面。」

雖然《自然》文章中討論的工作是由微軟員工完成的，但對Manfra學術組的普渡學生來說，接觸工業級的研究與開發也是一個絕佳的機會。論文的共同作者John Watson、Geoffrey Gardner和Saeed Fallahi在Manfra的指導下獲得了博士學位，現在分別在華盛頓州雷德蒙和丹麥哥本哈根的微軟量子團隊工作。Manfra的大部分前學生現在都在量子計算公司工作，包括微軟。在西拉法葉實驗室工作的Tyler Lindemann正在Manfra的指導下攻讀博士學位，並幫助建構了裝置所需的混合半導體-超導體結構。

Lindemann表示：「在Manfra教授的實驗室工作，同時為微軟量子團隊效力，為我的職業發展提供了先機，並對我的學術工作大有裨益。與此同時，微軟量子團隊的許多世界級科學家和工程師都有學術背景，能夠從他們的知識和經驗中汲取資源，這對我的研究生學習來說是不可或缺的。從這兩個角度來看，這都是一個絕佳的機會。」