研究人员详细介绍了实现拓扑量子计算机所需的量子设备测量的进展。在一份公告中，团队描述了一种设备的操作，该设备是拓扑量子计算机所需的基本构建块。发布的结果是构建潜在比现有技术更强大和更稳健的量子计算机的重要里程碑。
微软量子于2月19日在《自然》上发表了一篇文章，详细介绍了实现拓扑量子计算机所需的量子设备测量的最新进展。作者中包括在位于普渡大学的微软量子实验室西拉法叶进行研究的微软科学家和工程师。在微软量子的公告中，团队描述了一种设备的操作，该设备是拓扑量子计算机所需的基本构建块。发布的结果是构建潜在比现有技术更强大和更稳健的量子计算机的重要里程碑。
“我们对量子计算的希望是，它将帮助化学家、材料科学家和工程师设计和制造对我们日常生活如此重要的新材料，”微软量子实验室西拉法叶的科学主任、比尔和迪·欧布赖恩物理与天文学杰出教授、材料工程教授和电气与计算机工程教授迈克尔·曼弗拉说。“量子计算的承诺在于加速科学发现及其转化为有用技术。例如，如果量子计算机能减少生产新型拯救生命的治疗药物所需的时间和成本，那就是实实在在的社会影响。”
微软量子实验室西拉法叶的团队推进了用于测试的完整设备架构的量子平面所组成的复杂层状材料。与曼弗拉合作的微软科学家是先进半导体生长技术的专家，包括分子束外延，这些技术用于构建形成量子比特或量子位基础的低维电子系统。他们以原子层精度构建半导体和超导体层，调整材料的特性以满足设备架构的需要。
曼弗拉是普渡量子科学与工程研究所的成员，他将普渡大学与微软之间十年来建立的强大关系归功于在微软量子实验室西拉法叶进行的进展。2017年，普渡大学通过一项多年的协议加深了与微软的关系，其中包括将微软员工嵌入曼弗拉的研究团队。
“这是一个非常复杂团队的协作努力，微软在普渡的科学家们提供了重要的贡献，”曼弗拉说。“这是微软团队的成就，但也是普渡大学与微软之间长期合作的结果。如果没有普渡大学有利于这种工作方式的环境，这是不可能的——我试图将工业与学术研究融合，以改善两个社区。我认为这是一个成功的故事。”
普渡大学的量子科学与工程是普渡计算计划的重要支柱，该计划专注于推进计算、物理人工智能、半导体和量子技术的研究。
“在准粒子状态测量中的这一研究突破是拓扑量子计算发展的里程碑，并在半导体-超导体混合结构中创造了一个分水岭时刻，”普渡大学校长芒奇昂表示。“这也标志着普渡计算战略计划的最新成功，曼弗拉教授及其团队与微软量子实验室西拉法叶在普渡校园建立的深度合作关系，体现了当前任何美国大学中最具影响力的行业研究合作伙伴关系。”
大多数量子计算机的方法依赖于局部自由度来编码信息。电子的自旋是量子位的经典示例。但单个自旋易受干扰——例如相对常见的热量、振动或与其他量子粒子的相互作用——这可能会破坏存储在量子位中的量子信息，导致在检测和纠正错误上需要大量的努力。拓扑量子计算机不是通过自旋来存储信息，而是以更分散的方式存储信息；量子位状态编码在多个粒子协同作用的状态中。因此，要改变量子位状态必须改变所有粒子的状态，从而更难以混淆信息。
在《自然》论文中，微软团队能够准确且快速地测量构成量子位基础的准粒子的状态。
“该设备用于快速测量拓扑量子位的基本属性，”曼弗拉说。“团队对这些积极的结果感到兴奋。”
“位于西拉法叶的团队将现有的外延技术推向了半导体-超导体混合结构的新一流水平，以确保微软混合系统每个构建块之间的完美界面，”微软量子实验室的科学家谢尔盖·格罗宁表示。
“量子计算芯片所需的材料质量需要不断改进，因此这是最大的挑战之一，”格罗宁说。“首先，我们必须调整和改进半导体技术，以达到以前没有人能够实现的新水平。但同样重要的是如何创建这个混合系统。要做到这一点，我们必须融合半导体部分和超导体部分。这意味着需要完善半导体和超导体，并完善它们之间的界面。”
尽管《自然》文章中讨论的工作是微软员工完成的，但接触工业规模的研究与开发对于曼弗拉的学术团队中的普渡大学学生来说也是一个卓越的机会。约翰·沃森、杰弗里·加德纳和赛义德·法拉赫是论文的合著者之一，他们在曼弗拉的指导下获得了博士学位，现在在微软量子的华盛顿州雷德蒙德和丹麦哥本哈根的地点工作。曼弗拉的许多前学生现在在量子计算公司工作，包括微软。在西拉法叶实验室工作的泰勒·林德曼帮助构建了设备所需的混合半导体-超导体结构，目前在曼弗拉的指导下从普渡大学攻读博士学位。
“在曼弗拉教授的实验室工作以及我在微软量子的工作为我的职业发展提供了起步优势，并惠及我的学术工作，”林德曼说。“同时，微软量子中的许多世界级科学家和工程师都具有一定的学术背景，能够借鉴他们的知识和经验是我研究生学习中不可或缺的资源。从这两个角度来看，这是一个绝佳的机会。”
