神秘的拓?fù)淞孔佑?jì)算

魯妮

有人說不同的材料對應(yīng)著不同的社會發(fā)展形態(tài)，其實(shí)，不同的計(jì)算能力也代表著不同的社會發(fā)展形態(tài)。從遠(yuǎn)古社會到現(xiàn)在的電子信息時(shí)代，計(jì)算能力的提升給我們生活帶來的所有變革，想必大家都有切身體會。

——拓?fù)淞孔佑?jì)算研究專家張浩

20世紀(jì)以來，信息技術(shù)快速發(fā)展，身后背著大大“行囊”的計(jì)算機(jī)現(xiàn)在幾乎已經(jīng)看不到了，計(jì)算機(jī)的屏幕已經(jīng)變成了薄薄的一層，還出現(xiàn)了筆記本電腦、一體機(jī)、平板電腦等輕便產(chǎn)品。硬件越來越精巧，成本還有一定程度降低，這得益于摩爾定律，即“當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18～24個(gè)月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18～24個(gè)月翻一倍以上”[1]。也就是說，晶體管可以越來越小，價(jià)格越來越便宜，速度越來越快、節(jié)能能力更強(qiáng)。摩爾定律揭示了信息技術(shù)快速發(fā)展的原因。

然而，隨著摩爾定律的失效，這一增長放緩，未來，通過縮小晶體管來實(shí)現(xiàn)發(fā)展已然不現(xiàn)實(shí)。人類的第一個(gè)晶體管大小和我們的手指差不多大，現(xiàn)在的晶體管已經(jīng)到了納米級別。當(dāng)晶體管越做越小時(shí)，也不得不面對一個(gè)問題——它遵循的物理定律已經(jīng)不是牛頓力學(xué)的經(jīng)典定律，而是涉及量子力學(xué)的領(lǐng)域。下一步應(yīng)該何去何從？目前業(yè)界的共識是制作量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)在還沒有做出來，清華大學(xué)物理系副教授張浩說，我們現(xiàn)在還不知道怎么用量子力學(xué)來操控這些不滿足經(jīng)典定律的晶體管，如果我們知道怎么操控，那這就是量子計(jì)算機(jī)。

限制我們的不是能力，而是想象力

目前，對量子計(jì)算機(jī)的未來存在著爭議，有一些批評的聲音，認(rèn)為這個(gè)領(lǐng)域存在泡沫，認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)不可能做出來。

什么是民科？就是明顯違反物理定律。例如，永動機(jī)不可能制造成功，因?yàn)樗`背了能量守恒定律或者熱力學(xué)第二定律。然而，實(shí)際上，沒有任何物理學(xué)定律告訴我們量子計(jì)算機(jī)做不出來。很多時(shí)候限制我們的，不是我們的能力，而是我們的想象力。舉個(gè)簡單的例子，20世紀(jì)50年代，電子計(jì)算機(jī)剛做出來的時(shí)候，當(dāng)時(shí)的IBM總裁托馬斯·沃森預(yù)言：這個(gè)世界對電腦的需求只有五臺。現(xiàn)在看來，他當(dāng)時(shí)的話似乎非?；闹嚕鋵?shí)IBM總裁托馬斯·沃森是當(dāng)時(shí)非常專業(yè)的人士，局限于當(dāng)時(shí)的科技發(fā)展水平與認(rèn)知，他作出了這樣的預(yù)言。很多時(shí)候，未來的發(fā)展可能都會超出我們的想象，“腳踏實(shí)地地去做，到時(shí)候得到的結(jié)果也許會出乎所有人的想象，希望量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)也是如此?！睆埡普f。

什么是量子計(jì)算

量子計(jì)算實(shí)際上是人類對量子信息技術(shù)的應(yīng)用，量子信息科學(xué)是量子物理與信息科學(xué)交叉的新學(xué)科，其物理基礎(chǔ)是量子力學(xué)。量子力學(xué)是研究和描述微觀世界基本粒子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及相互作用的一門科學(xué)[2]。量子計(jì)算這一概念目前受到廣泛關(guān)注，相對于經(jīng)典計(jì)算來說，量子計(jì)算最大的優(yōu)勢在于它能攜帶巨量信息并具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，低能耗的同時(shí)計(jì)算能力更強(qiáng)，在可預(yù)期的將來，量子計(jì)算將對化學(xué)工業(yè)、材料設(shè)計(jì)、大數(shù)據(jù)、人工智能、信息安全、軍事、太空探索等方面產(chǎn)生顛覆性的影響，成為眾多科技領(lǐng)域加速發(fā)展的引擎。

霍尼韋爾董事長兼首席執(zhí)行官杜瑞哲表示，量子計(jì)算將使我們能夠應(yīng)對復(fù)雜的科學(xué)和商業(yè)挑戰(zhàn)，推動計(jì)算能力、運(yùn)營成本和速度的逐步改進(jìn)。材料公司將探索新的分子結(jié)構(gòu)。交通運(yùn)輸公司將優(yōu)化物流。金融機(jī)構(gòu)將需要更快、更精確的軟件應(yīng)用程序。制藥公司將加快新藥的研發(fā)。

量子計(jì)算技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于量子芯片以及量子算法，量子芯片是制造量子計(jì)算機(jī)的必備硬件以及物理實(shí)現(xiàn)，量子算法則是充分利用量子效率的軟件系統(tǒng)。拓?fù)淞孔佑?jì)算是制作量子芯片多個(gè)技術(shù)方案中的一種，它建立在全新的計(jì)算思路上，目前，微軟、清華、北大、物理所等都致力于這方面的研究。

量子疊加態(tài)

在量子計(jì)算中，量子信息是一個(gè)重要的概念，量子信息通過量子疊加和量子糾纏進(jìn)行獲取、傳輸和處理。量子疊加態(tài)，形象來講，就是“薛定諤的貓”的概念。一只貓?jiān)谝粋€(gè)密閉容器內(nèi)，容器內(nèi)有氰化物毒氣裝置，觸發(fā)毒氣的是鐳的衰變，鐳可以衰變，也可以不衰變。如果鐳發(fā)生衰變，就會導(dǎo)致毒氣釋放，容器中的貓就會死亡;如果鐳不發(fā)生衰變，毒氣就不會釋放，貓就能存活。在某個(gè)具體的時(shí)刻，我們不知道鐳有沒有發(fā)生衰變，也就是不知道貓是死亡還是存活，因?yàn)殍D可以處在衰變和不衰變的疊加態(tài)，這樣貓可能同時(shí)是死的和活的，也即這只貓?zhí)幱谕瑫r(shí)是死貓和活貓的疊加狀態(tài)。這可能和經(jīng)典世界的理解有所不同，但微觀世界其實(shí)就是這樣一個(gè)規(guī)律。

在經(jīng)典計(jì)算中，計(jì)算機(jī)技術(shù)信息量的基本量度單位是比特，在量子計(jì)算中，最小信息單位是量子比特。晶體管是計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代電器的關(guān)鍵元件之一，簡單來講，晶體管兩端是兩個(gè)電極，中間有一個(gè)半導(dǎo)體，當(dāng)給它施加電壓時(shí)，晶體管處于開啟狀態(tài)，把這種狀態(tài)當(dāng)成二進(jìn)制中的1;當(dāng)不給它施加電壓時(shí)，不會產(chǎn)生電荷，晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，這種狀態(tài)就是二進(jìn)制中的0。關(guān)閉或開啟，這兩種狀態(tài)也就代表信息0和1。這里說的二進(jìn)制的0和1有什么作用呢？我們平時(shí)用電腦或手機(jī)在網(wǎng)頁、微信、微博、抖音等上面觀看的文字、圖片、音視頻等內(nèi)容，實(shí)際上都是二進(jìn)制數(shù)字的長串，也就是說，信息由它們所搭載。當(dāng)把晶體管做到足夠小，進(jìn)入量子領(lǐng)域的時(shí)候，就可以創(chuàng)造出一個(gè)同時(shí)是開啟和關(guān)閉的疊加態(tài)，也就是信息可以同時(shí)是1和0，我們稱為一個(gè)量子比特，其能夠搭載的信息量遠(yuǎn)超只能表示0或1的經(jīng)典比特。

量子糾纏

除了量子比特能夠搭載更多信息，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的原因還和量子糾纏有關(guān)。量子糾纏是指當(dāng)幾個(gè)微觀粒子相互作用后，各個(gè)粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質(zhì)，無法單獨(dú)描述各個(gè)粒子的性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì)[3]。簡單來說，量子糾纏就是指系統(tǒng)中多個(gè)粒子相互影響的現(xiàn)象。在量子系統(tǒng)中，存在量子關(guān)聯(lián)的多個(gè)粒子即使在空間上被分隔開，也能夠相互影響運(yùn)動狀態(tài)，就像超越時(shí)空的“心電感應(yīng)”一樣。這種相互影響一是可以使信息處理速度加快，經(jīng)典計(jì)算機(jī)100億年可能都算不出來的東西，量子計(jì)算機(jī)100秒就能算出來;二是可以應(yīng)用于加密和解密信息，提高通信的安全性。

對量子計(jì)算研究的大力投入

近年來，政府、媒體、企業(yè)、高校等都對量子計(jì)算十分重視，投入了大量資金，成立了多個(gè)量子計(jì)算研究機(jī)構(gòu)，做了相應(yīng)的研究規(guī)劃。

2016年8月，由中國科學(xué)家自主研發(fā)的全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射成功，首次實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星和地面之間的量子通信。2017年，“墨子號”打破了世界量子糾纏分發(fā)距離的紀(jì)錄，達(dá)到1200km，并實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)、量子隱形傳態(tài)三大目標(biāo)。

“墨子號”發(fā)射成功那年，歐盟也頒布了國家級量子研究計(jì)劃。2016年3月，歐盟發(fā)布《量子宣言》;5月，歐盟宣布啟動10億歐元的量子旗艦項(xiàng)目，連同各國和企業(yè)的配套，總經(jīng)費(fèi)超過30億歐元。張浩在此期間在荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室工作。荷蘭也向代爾夫特理工大學(xué)投資1.4億美元研發(fā)量子計(jì)算[4]。2017年11月，在“未來和新技術(shù)旗艦項(xiàng)目”會議上，歐盟強(qiáng)調(diào)了量子技術(shù)對加強(qiáng)歐盟未來競爭力的重要作用，量子技術(shù)相關(guān)項(xiàng)目從2018年開始加速。

美國也十分重視量子信息科學(xué)的發(fā)展，每年在量子研究上大約撥款2.5億美元。2018年9月，美國白宮發(fā)布國家量子信息科學(xué)戰(zhàn)略性文件——《國家量子信息科學(xué)戰(zhàn)略概覽》，美國能源部宣布將成立多個(gè)國家級實(shí)驗(yàn)室，并為量子信息科學(xué)研究提供2.18億美元的資助，美國國家科學(xué)基金會計(jì)劃撥款3100萬美元用于多學(xué)科量子研究;2018年年底，美國國會通過了《國家量子倡議法案》。2019年3月，美國又成立了白宮國家量子協(xié)調(diào)辦公室。2020年2月，美國白宮發(fā)布《美國量子年網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》，文件提出，未來5年，美國的公司和實(shí)驗(yàn)室將演示量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)，包括量子互連、量子中繼器、量子存儲器等;未來20年，將實(shí)現(xiàn)經(jīng)典技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的新功能，促進(jìn)對量子糾纏作用的理解。

此外，英國也在各大高校建立了量子研究中心，投入約2.5億美元培養(yǎng)相關(guān)人才。日本計(jì)劃10年內(nèi)在量子計(jì)算領(lǐng)域投資3.6億美元[4]。加拿大、澳大利亞等政府也投入了大量資金在量子計(jì)算的研究上。

除了國家級的研究計(jì)劃，眾多科技巨頭也紛紛加入。谷歌在量子計(jì)算領(lǐng)域的研發(fā)已經(jīng)長達(dá)10多年，2017年，谷歌便開源了量子計(jì)算軟件OpenFermion ，使用者可以利用其改進(jìn)算法，使之能在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。2019年10月，谷歌表示其研究團(tuán)隊(duì)使用了實(shí)驗(yàn)性量子計(jì)算機(jī)，可以在200秒執(zhí)行一個(gè)最快的傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)需要1萬年才能完成的工作。2020年3月，谷歌與滑鐵盧大學(xué)、大眾汽車等聯(lián)合發(fā)布可快速建立量子機(jī)器學(xué)習(xí)模型原型的開源庫TensorFlow Quantum（以下簡稱“TFQ”），其由開源量子電路庫Cirq和機(jī)器學(xué)習(xí)平臺TensorFlow兩部分組成[5]，相關(guān)研究人員稱，TFQ可以將量子計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)研究者聚集在一起，為其提供必要工具，來探索可能產(chǎn)生量子優(yōu)勢的新量子算法。

2019年1月，IBM展示了20量子比特的IBM Q System 1，據(jù)稱這是第一臺可商用的量子計(jì)算機(jī)。這臺設(shè)備的優(yōu)勢在于其具有更強(qiáng)大的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)緊湊性，實(shí)用性增強(qiáng)。2019年9月，IBM又推出了可操作53個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)[6]。微軟研究團(tuán)隊(duì)也在量子計(jì)算上機(jī)的最大可行量子加速問題上取得了突破，INTEL也在持續(xù)對量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行投入與研發(fā)?；裟犴f爾也于2020年3月4日宣布，在未來三個(gè)月內(nèi)將發(fā)布全球最強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，其量子體積將至少達(dá)到64，預(yù)計(jì)是未來業(yè)界排名第二的量子計(jì)算機(jī)的兩倍。量子體積是用于度量量子計(jì)算機(jī)性能的指標(biāo)，而不是僅僅以量子比特?cái)?shù)據(jù)作為度量標(biāo)準(zhǔn)。

量子退相干——限制量子計(jì)算發(fā)展的主要問題

政府與各科技巨頭都大力投入，但是，通用的、可走進(jìn)普通百姓家的量子計(jì)算機(jī)卻遲遲沒有出現(xiàn)，這是為什么呢？

量子計(jì)算目前有一個(gè)非常巨大的問題，也就是其所依賴的量子疊加態(tài)非常脆弱，只要周圍環(huán)境有一點(diǎn)點(diǎn)干擾，就算這個(gè)干擾微乎其微，疊加態(tài)就會立刻被破壞。以薛定諤的貓為例，只要存在微小的干擾，這只貓就會處于死或活的確定狀態(tài)，無法同時(shí)又是死的，又是活的。張浩說：“谷歌最先進(jìn)的量子芯片，創(chuàng)造出的量子疊加態(tài)的持續(xù)時(shí)間小于1毫秒，也就是1秒的1/1000，過了這1毫秒之后，就回到經(jīng)典狀態(tài)了，所有的計(jì)算必須在這么短的時(shí)間內(nèi)完成。這是目前限制量子計(jì)算發(fā)展的最大問題，也就是所謂的量子退相干?！?/p>

簡單地從字面上來講，量子退相干就是量子相干性退卻，量子疊加態(tài)之間的相干性消失，也就是從量子世界過渡（塌縮）到經(jīng)典世界，量子疊加態(tài)與量子糾纏失效。

拓?fù)淞孔佑?jì)算——解決難題

怎么解決量子疊加態(tài)的不穩(wěn)定性問題呢？張浩所研究的拓?fù)淞孔佑?jì)算就是解決這一問題的方法之一，即先構(gòu)造一個(gè)特別穩(wěn)定的、不容易塌縮的拓?fù)淞孔颖忍?，用拓?fù)淞孔討B(tài)來儲存和操控量子信息，然后再進(jìn)行量子計(jì)算。

拓?fù)淞孔佑?jì)算是近十幾年發(fā)展起來的一門新的學(xué)科方向。其實(shí)，在遠(yuǎn)古時(shí)代，我們?nèi)祟惥鸵呀?jīng)開始利用拓?fù)涞姆€(wěn)定性來記錄信息了，比如結(jié)繩記事——把繩子打成不同的結(jié)，不同的結(jié)代表不同的信息。這個(gè)結(jié)是非常穩(wěn)定的，它外在的形式不會被輕易破壞掉。拓?fù)淞孔佑?jì)算其實(shí)和結(jié)繩記事的思想沒有什么本質(zhì)的區(qū)別，可以把它理解為量子版本的結(jié)繩記事。量子版的結(jié)繩記事中，粒子的交換和交換的具體路徑?jīng)]有關(guān)系，只和交換的順序有關(guān)，也就是說，兩個(gè)粒子是沿著方形的路徑交換，還是圓形的路徑交換，對最終結(jié)果不會造成影響，只要交換的順序一樣，那結(jié)果就是一樣的，對路徑不敏感，這樣的交換操作就會更加穩(wěn)定。然而現(xiàn)實(shí)世界中大部分粒子不滿足這種性質(zhì)，只有極少數(shù)理論預(yù)言的粒子可以，比如馬約拉納費(fèi)米子。

“創(chuàng)造”馬約拉納（Majorana）

量子芯片主要的發(fā)展瓶頸是量子疊加態(tài)不夠穩(wěn)定，而用拓?fù)鋬Υ嫘畔⒑芊€(wěn)定，那是不是直接用結(jié)繩記事的原理去做拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)就行了呢？答案是不行。馬約拉納費(fèi)米子（Majorana fermion）是制作拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的關(guān)鍵，但是，馬約拉納費(fèi)米子在自然界其實(shí)是不存在的，需要在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出這種粒子，然后再用這種粒子去做拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)。

馬約拉納費(fèi)米子是意大利科學(xué)家馬約拉納（Majorana）最早預(yù)言的，當(dāng)年（1937年）馬約拉納預(yù)言了這個(gè)粒子后，就登上了一艘游輪，不知去向，這也成為歷史上一個(gè)懸案，大家都不知道他去哪里了。但是，他的文章和預(yù)言被大家記住了，大家都在尋找他預(yù)言的粒子。這究竟是一個(gè)怎樣的粒子呢？

目前，我們知道的所有的粒子都有它對應(yīng)的反粒子。例如，電子的反粒子是正電子，質(zhì)子的反粒子是反質(zhì)子。而馬約拉納預(yù)言的粒子，它的反粒子就是它本身，即粒子=反粒子。要怎么創(chuàng)造出粒子=反粒子這樣一個(gè)東西呢？這要回到量子計(jì)算機(jī)最核心的一個(gè)概念——量子疊加態(tài)。把一個(gè)盛滿酒的杯子看成電子，它的反粒子就是“沒有電子”，也就是空穴。這樣，我們可以把沒有盛酒的杯子看作電子的反粒子——空穴，從這個(gè)意義上來講，電子不是馬約拉納費(fèi)米子：因?yàn)榭毡雍褪⒕频谋訝顟B(tài)不一樣。如果能創(chuàng)造出一個(gè)同時(shí)存在電子和空穴的疊加態(tài)，形象來講就是一個(gè)盛著半杯酒的杯子，那它就滿足粒子=反粒子這一概念，電子的反粒子是空穴（杯子上半部分的空穴），空穴的反粒子是電子（杯子下半部份的酒），這個(gè)杯子作為一個(gè)整體就滿足“反粒子是它自身”。這樣一種神奇的粒子就可以形象地認(rèn)為是馬約拉納費(fèi)米子。

根據(jù)上面的理念，一個(gè)電子就可以看成兩個(gè)馬約拉納費(fèi)米子，但是，很可惜，我們知道，電子是不可以分的，斧子劈不開。如果要把兩個(gè)馬約拉納費(fèi)米子在空間上分開，要怎么做呢？

假如把電子排成一串，再引入一些相互作用，比如電子與電子之間有一個(gè)吸引作用——我們稱為p-波超導(dǎo)，就可以把分屬兩個(gè)不同電子的兩個(gè)馬約拉納費(fèi)米子組成到一塊，形成一個(gè)新電子，最左端與最右端會分別遺漏一個(gè)馬約拉納費(fèi)米子，這樣就在空間中把一個(gè)電子分成了兩半。雖然p-波超導(dǎo)在現(xiàn)實(shí)中不存在，但是，我們可以把一些元素放到一塊兒，讓它們合起來等效于p-波超導(dǎo)。首先，把電子纏成一串，使其形成一個(gè)一維電子系統(tǒng);其次，電子需要有強(qiáng)自旋-軌道耦合，電子是有自旋的，會轉(zhuǎn)動，其在運(yùn)動過程中的轉(zhuǎn)動方向會因?yàn)樽孕壍礼詈隙淖?第三，配對，我們知道電子同性相斥，電子間要怎么相互吸引——引入超導(dǎo)，使每兩個(gè)電子形成一對;最后，外加電場和磁場。當(dāng)精確地調(diào)節(jié)這個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)元素的強(qiáng)弱到一定的條件時(shí)，就創(chuàng)造出了馬約拉納費(fèi)米子。

按照上述四種要素，去元素周期表里面找，發(fā)現(xiàn)銦和銻兩種元素組合而成的半導(dǎo)體組成的納米線的結(jié)構(gòu)最合適。接下來就需要去“生長”這種半導(dǎo)體納米線：把一些原材料放到一個(gè)腔里，控制一定的溫度和壓強(qiáng)，半導(dǎo)體納米線會像樹木生長一樣，長成一個(gè)個(gè)納米線森林。單根納米線的長度大概2μm，直徑只有100nm，比我們的頭發(fā)絲細(xì)將近1000倍。

下一步需要引入超導(dǎo)，半導(dǎo)體是沒有超導(dǎo)的，要怎么引入超導(dǎo)呢？通用的方法是把具有超導(dǎo)性質(zhì)的，例如鋁膜，鍍到半導(dǎo)體納米線上，形成一個(gè)非常干凈的超導(dǎo)、半導(dǎo)體結(jié)合。這有些類似于近朱者赤近墨者黑，把超導(dǎo)接觸到半導(dǎo)體納米線后，超導(dǎo)的性質(zhì)就會“流”到半導(dǎo)體里面，半導(dǎo)體納米線就變成了超導(dǎo)。

在實(shí)驗(yàn)室中是怎么制備量子器件芯片的呢？張浩介紹：“我們需要在一個(gè)非常干凈的房間里，這種房間稱為超凈間，需要把整個(gè)人包起來，因?yàn)樯砩系袈涞募?xì)小灰塵可能會污染樣品。具體操作上，需要先把一根納米線放到一個(gè)芯片上，然后用鑷子捏著這個(gè)芯片進(jìn)行微納米級的加工工藝，然后放上電極，再把芯片放到一個(gè)稱為稀釋制冷機(jī)的“冰箱”里面，不過這不是普通的冰箱，在芯片放置的地方，這個(gè)儀器的溫度可以達(dá)到零下273.13℃，接近絕對零度。然后，我們在外部加電場和磁場，進(jìn)行一些電學(xué)測量，觀察有沒有馬約拉納費(fèi)米子，有和沒有所得到的電導(dǎo)信號是不一樣的?！?/p>

納米線特別小，其直徑只有頭發(fā)絲的1/1000，是怎么把它一根一根“拿”起來，轉(zhuǎn)移并安裝到芯片上的呢？張浩介紹，他們在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)展了一套技術(shù)：用一個(gè)非常細(xì)的針尖，在電子顯微鏡下，先把納米線的根部松動一下，然后就可以把納米線推倒;如果有其他納米線阻擋了操作，就要用暴力把它們給移開，移開后，需要拿起并轉(zhuǎn)移的納米線周圍就空曠了;然后通過靜電相互作用的吸引，就可以用針尖把這根納米線提起來，最后完成轉(zhuǎn)移并放到芯片上。這是一個(gè)非常細(xì)致的工作，納米線特別敏感，周圍的震動或是有人走動都會對其產(chǎn)生影響。

2012年，荷蘭的研究團(tuán)隊(duì)測到了馬約拉納費(fèi)米子存在的可能信號，并發(fā)表在《科學(xué)》上，且登上了雜志首頁，也被《科學(xué)》雜志評為2012年十大科技突破之一，引起了巨大關(guān)注。但同時(shí)也面臨一些科學(xué)的爭論，比如很快各種各樣的理論和實(shí)驗(yàn)提出了其他的可能物理機(jī)制也會導(dǎo)致類似的信號。此外，實(shí)驗(yàn)信號值遠(yuǎn)沒有達(dá)到馬約拉納的理論預(yù)言值，也預(yù)示著該方向的研究遠(yuǎn)沒有結(jié)束。

盛宴已過，何去何從？

張浩是2014年才來到上述實(shí)驗(yàn)室，加入研究團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行拓?fù)淞孔佑?jì)算相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，備受關(guān)注的2012年的工作與成就已經(jīng)過去，用一句時(shí)髦的話來說，感覺就是“盛宴已過”，能做的都已經(jīng)做了，那張浩來這里的意義是什么呢？張浩說：“當(dāng)年的工作有很多爭論，既然有爭論，我們就必須繼續(xù)。如果真的想做拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)，我們就必須解決這些爭論，把拓?fù)淞孔悠骷|(zhì)量做得特別好，才能把現(xiàn)有的爭論排除，把納米線做得越來越干凈，把信號做到更加符合馬約拉納預(yù)言的值?！?/p>

經(jīng)過4年的時(shí)間，張浩所在的研究團(tuán)隊(duì)把器件的工藝優(yōu)化做得越來越好，幾乎達(dá)到了理論的預(yù)言。張浩說，這聽起來似乎特別容易，但是其實(shí)耗費(fèi)了很多人的很多精力。以前，半導(dǎo)體和超導(dǎo)的界面特別特別粗糙，現(xiàn)在，他們把這個(gè)界面做得平整又干凈，有多平整呢？“它的變化程度不會高過一個(gè)原子層”。界面如果粗糙，電子在里面運(yùn)動容易散射，而現(xiàn)在幾乎沒有散射的情況了。張浩所在的團(tuán)隊(duì)并不是一下就做到了這樣的進(jìn)展，是一步一步的優(yōu)化，每一篇小文章的背后，都是他們做實(shí)驗(yàn)的物理工作者無數(shù)個(gè)日夜的付出。2018年8月，張浩來到清華大學(xué)，從無到有，一步步搭建實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室于2019年底正常運(yùn)轉(zhuǎn)起來，張浩希望能夠在接下來的5年內(nèi)努力追上國際一流水平。

除了張浩所做的這個(gè)體系，實(shí)現(xiàn)馬約拉納費(fèi)米子的方法還有很多。國際上非常流行的還有3種，近幾年取得的進(jìn)展都非?？?，包括磁性原子鏈（Yazdani，2014）、拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體的結(jié)合（J. -F. Jia ，2015）、拓?fù)滂F基超導(dǎo)體（H. -J. Gao & H. Ding & D. -L. Feng，2018）。

制作拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)需要多領(lǐng)域?qū)＜液献?/p>

目前，我們或許大概真的找到了這個(gè)粒子=反粒子的馬約拉納費(fèi)米子。未來，有望在5～10年，通過不懈努力，有可能實(shí)現(xiàn)第一個(gè)拓?fù)淞孔颖忍亍?/p>

然而，拓?fù)淞孔佑?jì)算是一個(gè)跨學(xué)科的交叉領(lǐng)域，需要各個(gè)領(lǐng)域的專家共同合作。張浩說，其實(shí)他個(gè)人只做了拓?fù)淞孔佑?jì)算中的一個(gè)環(huán)節(jié)——微納米級的器件加工和量子測量，此外，還需要和材料科學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家、化學(xué)家等合作，相互學(xué)習(xí)，一起把拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)做出來。目前，已經(jīng)有一些大的科技公司聚集了各個(gè)領(lǐng)域的專家，在進(jìn)行相關(guān)研究。和不同領(lǐng)域的專家溝通，也許會因?yàn)樗L專業(yè)的不同，存在一些溝通障礙，但這也是一個(gè)深入了解其他領(lǐng)域，深入學(xué)習(xí)的過程，在張浩看來，這是一個(gè)非常有趣的事。

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