微软量子团队观察到在砷化铟铝异质结构中存在的30μeV拓扑间隙

拓扑量子计算是实现硬件级容错的途径之一，有望实现具有高保真量子比特、快速门操作和单模块架构的量子计算系统。拓扑量子比特的保真度、速度和大小由一种被称为拓扑间隙（topological gap）的特征能量来控制。只有当人们能够可靠地产生物质的拓扑相，并通过实验验证一个拓扑相内确实存在量子比特的子组件（并准备好进行量子信息处理）时，这条路径才能行得通。这实现起来并不容易，因为拓扑相的特征在于其基态的长距离纠缠，而传统实验无法轻易探测。

我们团队在一年前提出了 “拓扑间隙协议” TGP（topological gap protocol）[1]，并将其作为量子传输测量中拓扑相位的识别标准，解决了这一难题。拓扑超导线的末端具有马约拉纳零模态，导线的两端都有一个实费米子算符，类似于 Ettore Majorana 在1937年构建的实费米子波动方程。

因此，存在两个相反的费米子宇称量子态，只能通过耦合到两端的相位相干性探针来测量。在电测量中，马约拉纳零模态（参见图1）会导致局部电导出现零偏压峰（ZBPs: zero-bias peaks）。然而，局部 Andreev 束缚态（Andreev bound states）和无序性也可能出现零偏压峰。因此，TGP 仅专注于高度稳定的 ZBPs。最重要的是，它使用非局部电导来检测体相变（bulk phase transition）。这种相变必须存在于普通的超导相和拓扑相的边界上，因为它们是物质的两个不同相，就像水和冰。

图1：拓扑超导纳米线的局部态密度与能量和位置的关系。

我们使用包含材料堆叠、几何形状和缺陷等细节的模型对我们的设备进行模拟。仿真实验表明，TGP 是一个检测设备拓扑相位的严格标准。更为重要的是，传递协议的条件是在测量任何设备之前就已经设定好的，即在非局部电导建立具有无间隙边界的间隙区域上，设备两端都存在稳定的 ZBPs。考虑到拓扑相识别所涉及的微妙差异（这源于缺失局部有序参数），TGP 的设计原则之一就是避免确认偏差（confirmation bias）。特别是，在整个操作范围内扫描设备，而不仅是“搜索”某个人们希望出现的特征，例如单个 ZBP。

位于美国加利福尼亚州圣巴巴拉的微软 Station Q 是微软量子项目的发源地。在过去16年间，它一直是一个拓扑相和量子计算半年度会议的东道主。由于新冠大流行而被迫中断了两年之后，Station Q 线下会议于3月初恢复举办。在这场工业界和学术界的量子计算领导者出席的会议上，微软宣布，已开发了多个能够通过 TGP 的设备。

我们的团队测量到了超过 30μeV 的拓扑间隙。这是实验中噪音水平的三倍多，并且温度上也高出了类似的量级。这是一个里程碑式的科学进步，也是拓扑量子计算之旅中的关键一步。拓扑量子计算依赖于任意子（拓扑准粒子上的两个原始操作）的融合和编织。拓扑间隙决定了物质底层状态，为这些操作提供容错性。能够实现这些操作的更为复杂的设备需要多个拓扑线段，并依赖 TGP 作为其初始化过程的一部分。我们的成功取决于模拟、增长、制造、测量和数据分析等各个团队之间的密切合作。每个设备设计都经过了模拟，以便在设备制造之前对其超过23个不同的参数进行优化。这使我们能够在设计阶段就确定设备的调试程序。

我们的结果得到了详尽的测量和严格的数据验证程序的支持。我们从局部和非局部电导的组合中获得了多个设备的大规模相位图。我们用迷惑 TGP 的模拟数据对分析程序进行了验证，这使我们能够以较高的置信度排除各种虚假设（null hypotheses）。此外，数据分析由与数据获取团队不同的团队主导，这是我们在团队内部不同组别之间进行校验和制衡的一部分。此外，独立顾问专家委员会正在审核我们的结果，截至目前，我们得到了非常积极的反馈。

随着基础物理学机理的论证，下一步就是建立拓扑量子比特。我们设想，与其他量子比特相比，拓扑量子比特将兼具速度、大小和稳定性。我们相信，未来它终将能够为完全规模化的量子计算机提供动力，这也将帮我们实现量子计算的全部潜力，以解决当今社会面临的最复杂和最紧迫的挑战。

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