量子運算新突破：拓撲超導體引領未來

微軟與加州大學聖塔芭芭拉分校（UCSB）的研究團隊近日發表了一項重大突破，成功開發出全球首款八量子位元（qubit）的拓撲量子處理器。這項創新技術奠基於一種全新的物質狀態——拓撲超導體，有望為量子運算帶來更快速、更穩定的運算能力。

這款處理器在微軟Station Q實驗室的年度會議上首次亮相，並於《自然》期刊上發表了詳細的研究成果。微軟Station Q實驗室主任、UCSB物理學教授兼微軟量子硬體技術院士Chetan Nayak表示：「我們已經創造出一種全新的物質狀態，稱為拓撲超導體。這種物質狀態中存在一種稱為馬約拉納零模（Majorana zero modes, MZMs）的特殊邊界，對量子運算極具價值。」

研究團隊透過嚴謹的模擬與測試，證實了這種異質結構裝置的可行性。Nayak進一步解釋：「這顯示我們不僅能夠實現這項技術，還能以快速且精確的方式完成。」此外，團隊還在預印本平臺上發表了另一篇論文，詳細規劃瞭如何將這項技術擴充套件為功能完整的拓撲量子電腦。

量子運算的潛力在於其運算速度與能力，預計將超越現今最先進的傳統超級電腦。這一切的核心在於量子位元，它是量子運算中的基本資訊單位，與傳統電腦中的位元不同，量子位元可以同時表示0、1以及兩者之間的疊加狀態。

量子位元可以透過多種形式實現，例如利用被困住的離子或光子的量子行為。而拓撲系統則基於一種稱為任意子（anyon）的粒子，這是一種準粒子，由材料表面許多相互作用的粒子狀態所產生。在這項研究中，研究團隊使用超導奈米線來實現這種拓撲量子行為。

拓撲量子運算之所以成為熱門研究領域，是因為它相較於其他量子運算系統，具有更高的穩定性和抗錯誤能力。量子位元容易受到錯誤的影響，因此量子電腦的建造者通常需要透過增加量子位元來進行錯誤校正。Nayak指出：「另一種方法是直接在硬體層面進行錯誤校正。由於量子資訊是分佈並儲存在整個物理系統中，而非單一粒子或原子，因此拓撲量子位元所處理的資訊更不容易失去一致性，從而形成一個更具容錯性的系統。」

然而，並非所有準粒子都適用於拓撲量子運算。在這項技術中，馬約拉納粒子——特別是馬約拉納零模——是最佳選擇。這些粒子以義大利物理學家Ettore Majorana命名，他在1937年預測了這種粒子的存在。馬約拉納粒子的特殊之處在於它們是自身的反粒子，並且能夠隨著時間保留其相對位置的記憶。透過將它們「編織」在一起——即物理上將它們互相移動——可以創造出更穩健的量子邏輯。

研究團隊透過將砷化銦半導體奈米線放置在鋁超導體附近，成功實現了馬約拉納零模。在特定條件下，半導體線會進入超導狀態並轉變為拓撲相。馬約拉納零模會出現線上的兩端，而線的其他部分則會形成能隙。Nayak強調：「這個拓撲能隙越大，拓撲相就越穩定。令人驚訝的是，當你將能隙擴大時，不僅系統變得更穩定，運算速度也可能加快，甚至能縮小整個系統的尺寸，從而避免因尺寸增加而犧牲精確度。」

雖然這款八量子位元的拓撲處理器在量子電腦的世界中仍處於萌芽階段，但它標誌著科學家在開發拓撲量子電腦的漫長道路上邁出了重要的一步。Nayak表示，Station Q與UCSB之間的合作在這項研究中扮演了關鍵角色，特別是在創造具有拓撲量子行為的材料方面。他提到：「電子材料專家Chris Palmstrøm在這些材料的開發上取得了重要進展，而材料科學家Susanne Stemmer則在製造工藝上貢獻了她的專業知識。」此外，Station Q還聘用了許多學生加入團隊，而這項半導體異質結構的概念則源自於已故諾貝爾獎得主Herb Kroemer的理論。

Nayak總結道：「UCSB在這些材料組合的研究上擁有悠久的歷史與豐富的人才，這些尖端材料科學為我們開啟了全新的物理研究領域。」